基于無線傳感器網的室內可吸入顆粒物監測系統研究

宋述林

摘 要：隨著社會經濟的發展加快，我國的工業制造、建筑業規模也不斷擴大，這些經濟活動都對大氣環境造成了一定的污染?？諝庵锌晌腩w粒物以及粉塵都吸附著大量的有毒物質，當濃度過高時，不僅會造成能見度較低的霧霾天氣，還會對人類的身體健康產生威脅。針對這種情況，人們對大氣中的可吸入顆粒物開始進行監測活動，以保證人們的正常生活。文章通過對可吸入顆粒物以及無線傳感器網絡技術的研究，對無線傳感器在可吸入顆粒物監測應用中做出了一定的歸納與總結。

關鍵詞：無線傳感器；室內；可吸入顆粒物；監測

中圖分類號：TP212.9 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）14-0075-02

Abstract： With the rapid development of social economy， the scale of industrial manufacturing and construction industry in China is also expanding， these economic activities can cause certain pollution to the atmospheric environment. Inhalable particles and dust in the air are adsorbed a large number of toxic substances， when the concentration is too high， will not only cause low visibility of haze weather， but also pose a threat to human health. In response to this situation， people began to monitor the inhalable particulates in the atmosphere in order to ensure the normal life of people. In this paper， through the research of inhalable particulate matter and wireless sensor network technology， the application of wireless sensor in the monitoring of inhalable particulates is summarized and summarized.

Keywords： wireless sensor； indoor； inhalable particulate matter； monitoring

1 對無線傳感器網絡技術的認識

無線傳感器網絡技術是在社會發展中產生的一種高科技的新興技術，它集合了無線通信系統、微機電系統以及傳感系統等多種高科技技能系統，無線傳感器網絡在工作時，通過傳感系統對所需的數據進行采集并傳播到所有系統的匯聚節點，隨后通過網絡、衛星等把所有數據傳送到相應的監測站。

（1）無線傳感器網絡技術的介紹。無線傳感器網絡技術是一項集多種技術為一體的綜合性技術，它包含了現代網絡技術、先進的傳感器技術以及計算機科學技術。無線傳感器是通過網絡科技來進行無線傳輸工作的，它主要包含了三個中心要素，即所要感知的目標、傳感器和相應的監測中心。一般情況下，在一個正常規范的無線傳感器中都會有一個甚至多個負責數據收集、存儲、傳播等作用的傳感器節點，傳感器節點的工作系統包括傳感器、通信器、處理器和能量供應器四個工作模塊[1]。作為傳感器節點的主要核心，處理器的工作主要是對各個工作模塊進行有效的操作以確保網絡傳播工作的正常運行，能量供應器是傳播感應器工作的基礎，它為傳播節點所帶有的電量進行節能工作，保證電量不會過于消耗。匯聚節點的工作一般分為兩個部分，一是負責將傳感器收集的信息全部集中在一起，其次要進行信息與外部網絡的交換作業，完成收集資料的對外傳播工作，進而保證監管系統的工作正常運行。（2）無線傳感器網絡技術的特點。無線傳感器網絡技術是社會進步的產物，隨著社會對高科技的不斷研發和網絡科技的飛快發展，無線傳感器被廣泛的應用到我們生活和工作中。無線傳感器具有一定的優勢和長處，首先，無線傳感器節省了大部分的人力工作，它能夠通過特殊功能進行結網工作并保持有效正常的運行。其次，無線傳感器的網絡工作密度高、范圍廣，一個網絡中的節點可達到相當繁多的數量，這些大量的節點被分布到同一片監測場地，進而使密度被增大，同時網絡節點的分布范圍也相當廣泛，這為數據的收據提供了巨大作用[2]。再次，無線傳感網絡節點的硬件設施十分強大，具有充分的牢固性，其軟件設施也采用節能的功效，確保了無線傳感器在惡劣的環境中能維持正常的工作。

2 對可吸入顆粒物的研究

在經濟快速發展的社會背景下，工業制造也不斷擴大發展規模，煤礦、石油等化學燃料被大量開采和使用，在這個過程中，大量的有毒性氣體及有毒顆粒被排放到我們生存的環境中，使我們賴以生存的環境空氣被污染?？晌腩w粒物具有非常大的危害性，不但能通過人們呼吸進入到身體中，對人的身體健康造成威脅，還會造成霧霾天氣，影響人的出行和生活。

（1）可吸入顆粒物的來源和危害。對空氣造成污染的顆粒污染物是指在空氣中運行的顆粒狀態的、大小不一的固體形態的污染物，顆粒污染物分為多種，包括粉塵、霧以及氣泡、滴液等。一般情況下，我們把顆粒物分為懸浮顆粒物和可吸入顆粒物，這些顆粒物的來源廣泛，在我們的日常生活中，汽車交通工具的使用、燃燒煤炭與石油、工程建筑工地、水泥石灰廠等活動的展開都會產生大量的顆粒污染物[2]。我們日常經常提到的PM10及為可吸入顆粒物，這些可吸入顆粒物中，一部分較大的顆粒在人們呼吸的過程中被阻攔在了口腔和鼻腔中，較細、較小顆粒則會通過人類的呼吸進入到人體的咽喉、氣管等重要部位，對人類的身體造成危害。其中，PM2.5危害巨大，被稱為可入肺顆粒物，這些污染顆粒物在人類呼吸后進入人類的口腔，并通過呼吸道進入人類的肺泡中，甚至有些污染顆粒進入肺部后完全沉積，并通過肺部傳播到其他的循環系統中，不僅會引發各種呼吸系統和肺部器官的疾病，甚至會導致嚴重的心腦血管疾病。因此，可吸入顆粒物對人體的健康具有極大的威脅性和危害性。（2）大氣中可吸入顆粒物的測量辦法。在目前的社會生活中，對大氣中可吸入顆粒物的檢測辦法主要分為兩種，即手動檢測法和自動檢測法。手動測量法又分為稱重測量和篩分測量，這兩種方式主要是通過人力來對所收集的顆粒物進行過濾工作、烘干工作，隨后進行稱重和計算來得到大氣中顆粒物的濃度，手動檢測的每個環節都需要支配人力進行，工作效率低下且測量結果數據缺乏準確性。自動檢測法包含β射線檢測法、微量振蕩天平檢測法、光散射檢測法。在β射線檢測法中，我們只需要對射線衰弱量的大小進行測量，就可以計算出所收集顆粒物的濃度。在振蕩天平測量法中，我們只需要對錐形管在工作中產生的振蕩頻率進行測量，再掌握空氣流速以及溫濕度等外部因素，就能得出該時間內顆粒物的濃度。光散射法是通過實驗顆粒物對光散射的作用來進行顆粒物的濃度測量的，它通過一定的工作運轉程序，運用粉塵濃度和電壓之間的聯系，經過換算就可以得出顆粒物的濃度。自動檢測法的自動化強度較高，節省了一定的人力和工序，提高了工作效率，但也有一定的缺陷，如β射線測量會對人體皮膚造成危害，震蕩天平測量中所含的易揮發物質，使測量結果偏低等。

3 可吸入顆粒物監測系統中無線傳感器的設計與應用

通過對可吸入顆粒物的研究以及對無線傳感器的思考，完成無線傳感網絡技術對大氣中可吸入顆粒物的監測系統建設，對所要監測的區域進行收集節點的安置，通過各個節點自主組網，完成對可吸入顆粒物的監測工作。在監測系統的構建過程中，要從無線傳感器的實際工作為出發點，完成可吸入顆粒物無線傳感網絡的模塊設計和中心節點設計，進而完成整個監測系統的建設，保證大氣環境中的可吸入顆粒物在監管下能降低其濃度，使人們的生產活動和生存環境得到保障。

（1）無線傳感器網絡系統的整體設計。在對可吸入顆粒物監管系統的整體設計中，無線傳感的監測工作主要由三部分構成，分別為傳感器節點、中心節點的基站以及管理監控中心。其中，傳感器節點的主要工作是對大氣環境中的數據進行收集，節點基站作為組網的中央節點，需要將各個傳感器節點收集的數據進行統一集中工作，管理監控中心在對基站傳播過來的資料數據進行收集整理后，還要完成交互工作。傳感器節點的組成中，主要包括數據采集系統、無線通訊系統和節能系統，采集系統要將收集到的大氣顆粒物、濕潤程度等信息通過無線通訊系統進行整理后傳達到中心節點的基站。節點基站要有同功能的無線通訊系統以及連接轉換器，在收到傳感器節點發送到達的大氣數據后，運用有線的傳播方式經過轉換器傳送到管理監控中心。管理監控中心要有一定的硬件設施，如監控器以及監控電腦，通過硬件設施來對接收的大氣數據進行整理、分析、處理工作，進而實現對大氣可吸入顆粒物的監測工作。（2）可吸入顆粒物無線傳感網絡的模塊設計。無線傳感網絡技術的模塊設計，根據模塊采集信息主要為大氣環境可吸入顆粒物的要求，通訊傳播模塊主要分為微數據處理和數據傳輸RF模塊建設，其設計方案的功能性主要包括多項。其一，設計節點要保證足夠的電量和能量進行長時間的工作。其二，進行數據采集工作的模塊和進行數據傳播的通訊模塊在物力應用中是分離工作的，因此設計的監測模塊要保證后續進行采集工作的模塊具有擴展性、變更性。其三，在保證數據能夠進行有效傳播通訊的基礎上，每個無線傳感器的節點距離要盡量增大。綜合以上設計方案的要求，為了使各個節點功能得到充分發揮，在對傳感器節點的模塊進行選型時，一定要對功能質量進行把關，通過對微數據處理模塊以及數據傳輸RF模塊建設報以嚴肅認真的態度，使無線傳感器發揮最大的功效，使方案設計充分滿足對大氣可吸入顆粒物的監測工作。（3）可吸入顆粒物無線傳感網絡的中心節點設計。在可吸入顆粒物無線傳感網絡的監測系統中，最為核心和主要的就是網絡中心節點的建設工作，網絡中心節點對整個監測系統的網絡建立、發展、后期運行的各項信息進行必要的維護和管理工作。在無線傳感器網絡技術中，其中心節點一旦進行工作就會開始對周邊的環境進行檢測，并且會選擇一個中心和適合的通訊路線，進行整個組網工作的開啟，組網工作的順利建成之后，其他的無組織節點就會在被中心節點接納的情況下加入到這個組建的網絡中來?？晌腩w粒物無線傳感網絡的中心節點需要一定的硬件設施，在處理器、供電節點器等硬件設施全部組建成功后，其工作的展開需要在中心節點通電后對芯片和通訊串口進行初始化，初始化完成、組網成功，協調器開始對網絡參數進行配置，并將信息顯現出來，中心節點開始進行無線監測工作。

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