基于LoRa的PM2.5在線監(jiān)測系統(tǒng)研究*

閆卓宜，趙曉慶，劉世兵，劉 波

（山東工商學(xué)院 信息與電子工程學(xué)院，山東 煙臺264005）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，國家政府對環(huán)境污染問題越來越重視，雖然目前的環(huán)境問題有所改善，但是空氣中的PM2.5依舊超標(biāo)。雖然各地區(qū)陸續(xù)安裝了監(jiān)測站，但是由于大型監(jiān)測站造價成本高、監(jiān)測數(shù)量有限和設(shè)備部署不靈活，導(dǎo)致其傳輸信息存在實時性差、效率低等缺點[1]。采用當(dāng)前研究的廣域物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)PM2.5顆粒物的大氣污染物實時監(jiān)測系統(tǒng)，是一種有效的解決方案。

1 系統(tǒng)概述

針對監(jiān)測設(shè)備工作環(huán)境、檢修困難且不易實時上傳監(jiān)測數(shù)據(jù)等問題，選用LoRa和GPRS技術(shù)相結(jié)合的方式將采集到的氣體濃度數(shù)據(jù)上傳到云平臺。把LoRa和GPRS技術(shù)應(yīng)用到監(jiān)測氣體中，無需人為監(jiān)測，可以在客戶端上查看監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的PM2.5濃度信息。本系統(tǒng)利用LoRa無線通信技術(shù)實現(xiàn)氣體數(shù)據(jù)的無線傳輸，利用GPRS實現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一上傳服務(wù)器的功能，實現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域的實時監(jiān)控。

基于LoRa的在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由監(jiān)測節(jié)點、監(jiān)測中心節(jié)點、氣體傳感器、LoRa模塊、GPRS模塊、電源模塊組成。監(jiān)測節(jié)點負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示等功能；監(jiān)測中心節(jié)點主要負(fù)責(zé)接收各節(jié)點數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；氣體傳感器用于監(jiān)測區(qū)域范圍內(nèi)的氣體濃度；LoRa模塊實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸功能；GPRS模塊實時將氣體濃度數(shù)據(jù)上傳到云平臺；電源模塊為整個系統(tǒng)提供充足的電能。本設(shè)計是將監(jiān)測的氣體濃度數(shù)據(jù)實時上傳到云平臺，用戶通過訪問云平臺獲取氣體濃度信息。PM2.5監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計采用32位處理器TM32F407ZGT6作為主控芯片，將氣體傳感器采集到的數(shù)據(jù)在顯示屏上顯示的同時，通過LoRa模塊無線傳輸?shù)絃oRa網(wǎng)關(guān)處，LoRa網(wǎng)關(guān)通過GPRS模塊將氣體濃度值上傳到云平臺。其系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 傳感器模塊

灰塵傳感器PM2.5傳感器是由國產(chǎn)公司夏普電子生產(chǎn)的一款光學(xué)空氣質(zhì)量傳感器。該裝置中，設(shè)有一個紅外發(fā)光二極管和光電晶體管，對角布置成允許其檢測到在空氣中的灰塵反射光。傳感器中心有個洞可以讓空氣自由流過，定向發(fā)射LED光[2-3]，通過檢測經(jīng)過空氣中灰塵折射過后的光線來判斷灰塵的含量。其向外輸出的是模擬電壓值，且輸出的電壓值正比于所測得的粉塵濃度。

灰塵傳感器體積輕巧且檢測精度相對較好，所消耗的電流量低，與單片機(jī)的連接簡單，只需要一個串口連接單片機(jī)即可進(jìn)行信息的傳輸，使得硬件設(shè)計得到極大簡化。傳感器模塊與微控制器USART2接口進(jìn)行通信，連接方式如圖3所示。

圖3 灰塵傳感器電路

2.2 LoRa模塊

LoRa網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是典型的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中LoRa網(wǎng)關(guān)是透明傳輸?shù)闹欣^[4]，連接后端中央服務(wù)器和終端設(shè)備。終端設(shè)備是單跳于一個或多個網(wǎng)關(guān)通信，而網(wǎng)關(guān)與節(jié)點間均是雙向通信[5]。LoRa的終端節(jié)點就是多合一環(huán)境傳感器，這些節(jié)點通過無線通信與網(wǎng)關(guān)連接，再通過3G網(wǎng)絡(luò)或者以太網(wǎng)絡(luò)連接到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中[6]。在具體實現(xiàn)上，選取一款高性能LoRa通信模塊，集成在多合一環(huán)境傳感器中，實現(xiàn)多種環(huán)境信息的集中傳輸。LoRa模塊與微控制器（MCU）之間通過串口進(jìn)行通信，將采集的PM2.5濃度數(shù)據(jù)通過LoRa模塊傳送到中心節(jié)點，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。本系統(tǒng)中LoRa模塊與微控制器USART1接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，連接方式如圖4所示。

圖4 LoRa電路圖

2.3 GPRS模塊

GPRS模塊在網(wǎng)絡(luò)透傳模式下，用戶的串口設(shè)備可以通過本模塊發(fā)送數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)上指定的云平臺。模塊也可以接受來自云平臺的數(shù)據(jù)，并將信息轉(zhuǎn)發(fā)至串口設(shè)備。用戶不需要關(guān)注串口數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程，只需通過簡單的參數(shù)設(shè)置，即可實現(xiàn)串口設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)互傳。在系統(tǒng)運行過程中，GPRS模塊與微控制器通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過無線透傳的方式上傳至云平臺中，GPRS模塊與微控制器的連接方式如圖5所示。

圖5 GPRS電路圖

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計采用C語言進(jìn)行模塊化程序設(shè)計。主要包括時鐘初始化、串口初始化、LCD液晶屏初始化、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)傳輸?shù)取Ｔ谛盘柌杉矫娌捎眠B續(xù)采集方式；數(shù)據(jù)處理主要包括數(shù)據(jù)幀的組成[7]，數(shù)據(jù)幀的解析；數(shù)據(jù)傳輸主要是將數(shù)據(jù)傳給LoRa模塊處理，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送到LoRa網(wǎng)關(guān)并通過GPRS模塊上傳至云平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸；液晶顯示主要實現(xiàn)的功能是將采集到的PM2.5的濃度值在LCD液晶屏上實時顯示。監(jiān)測設(shè)備的軟件運行流程圖如圖6所示。

圖6 監(jiān)測設(shè)備軟件運行流程圖

4 實驗測試

將監(jiān)測裝置放置在校園內(nèi)進(jìn)行監(jiān)測，本系統(tǒng)進(jìn)行了一個星期的實時監(jiān)測測試，選取了其中一天的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，從9時到15時每隔一個小時記錄下監(jiān)測的氣體濃度，進(jìn)行7次的記錄，記錄數(shù)據(jù)如表1所示。并根據(jù)記錄下的氣體數(shù)據(jù)繪制了氣體濃度趨勢圖如圖7所示。

圖7 PM2.5氣體濃度趨勢圖

表1 監(jiān)測PM2.5的濃度數(shù)據(jù)

在對本系統(tǒng)進(jìn)行測試中，可登錄云平臺實時監(jiān)測氣體濃度同時還能夠顯示設(shè)備是否在線，滿足實時監(jiān)測PM2.5濃度的需求。在測試過程中設(shè)備運行狀態(tài)穩(wěn)定，上傳數(shù)據(jù)的速度也非常快，可以滿足實時性的需求。

5 結(jié)束語

本文主要研究和設(shè)計了一種基于LoRa的PM2.5在線監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)計了該系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計流程。該系統(tǒng)由氣體數(shù)據(jù)采集發(fā)送和數(shù)據(jù)接收傳輸裝置組成，氣體數(shù)據(jù)采集發(fā)送裝置主要采集各個區(qū)域內(nèi)的PM2.5氣體濃度并把數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)測中心節(jié)點，監(jiān)測中心節(jié)點把接收到的氣體濃度數(shù)據(jù)上傳到云平臺進(jìn)行氣體濃度的實時監(jiān)測，本系統(tǒng)后續(xù)還可以繼續(xù)改進(jìn)和優(yōu)化，提高空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性，還可以設(shè)計手機(jī)APP，實現(xiàn)在手機(jī)頁面上監(jiān)測氣體濃度信息。