基于無線傳感器網絡大氣揚塵監測系統

郭耀輝

摘要：目前大氣揚塵越來越嚴重，監測城市大氣揚塵已經越來越重要，本文主要研究利用無線傳感器監測一個范圍內的大氣揚塵濃度，實現及時發現問題及時把問題反映出來達到隨時隨地的監測當地空氣質量。

關鍵詞：無線傳感器;大氣揚塵;監測

一、引言

無線傳感器的一個重要領域即環境監測，而基于無線傳感器網絡的大氣揚塵監測系統是無線傳感器網絡在大氣環境監測的一個重要的部分，大氣揚塵監測系統主要運用到大氣環境監測，工地揚塵監測等很多方面。揚塵監測系統主要監測一氧化碳，二氧化硫，二氧化氮，臭氧等氣體，以及PM2.5 PM10等微小顆粒物，由于大氣污染影響因素極多，揚塵監測系統也需要考慮空氣的濕度，風向，溫度等因素。該環境監測運用化學，生物學，物理學等知識不間斷的測量空氣中污染物的密度，從而保障人們的健康，空氣的質量。

二、設計思路

傳統的大氣揚塵監測分析的方法比較簡單，需要的設備也不需要很先進，但是也存在著一些問題，譬如，一空氣中的的某些氣體不能與吸收液完全反應，這樣會導致測量結果偏小，二空氣中含有各種有毒氣體，若被測量地區有毒氣體濃度過高，就會嚴重損害人體的健康，三空氣取樣測量只能測量某個地區某個時間點的空氣質量，若想要得到該地區空氣質量的實時值，極為不方便，此空氣測量法使用于偏遠地區。

大氣揚塵的監測，應該有以下幾個優點：一是具備實時性;二是準確全面的反映數據;三是便于查看管理，由以上可總結出，基于無線傳感器網絡的大氣揚塵環境監測系統要遠遠優于傳統的大氣揚塵監測技術，進一步滿足了環境監測部門的需求。基于無線傳感器網絡的大氣揚塵監測系統可以實現某個地區的全面信息采集，傳感器無線傳輸，及集中處理更是提高了監測人員的工作效率，為監測人員帶來了極大的便利，該方案是實現大氣環境網絡化監測的一種比較先進的解決方案。

基于無線傳感器網絡的大氣揚塵環境監測系統可以大致由硬件部分和軟件部分組成。數據的采集需要選定合適的傳感器，監測某些氣體的傳感器，溫度濕度傳感器等，以及一些應用數據服務器，構成了該環境監測系統的硬件部分。而軟件系統大致分為串口通信模塊，數據轉換，存儲模塊以及sink節點進行通信。通過使用大量的傳感器互聯形成的傳感網絡，監測人員可以對需要監測的地區進行不間斷的數據采集，這種數據采集更加精確。

三、主要內容及關鍵技術

（一）系統體系結構

基于無線傳感器的大氣揚塵環境監測系統的體系框架由通信節點，sink節點，以及數據，應用服務器四部分組成。大量的傳感器節點隨機部署在被檢測地區，通過自組織方式組成傳感器網絡。數據采集，信號處理以及無線通信功能是通信節點的主要功能。通信節點與sink節點之間采用多跳通信方式，目的是為了節約通信節點的電能。在該系統的結構中通信節點范圍內一定要有另一個通信節點或者sink節點，這樣就能保證每一個通信節點和sink節點建立無線鏈路。

為了能最大化利用資源，可以根據通信距離來選擇信號發射器，當被測區域相對較大時，可以選擇發射信號較廣的發射器，不必增加成本設置更多的天線，由此降低建造該系統的成本。對于數據，應用服務器可以利用網絡接入到當區域的監管部門，由此使得監管人員更加便利的接受數據，對數據有及時性的處理方式，大大提高工作效率。

（二）節點組成結構

在需要監測的一個區域內布置二氧化硫傳感器，二氧化氮傳感器，風向傳感器，溫濕度傳感器，溫度傳感器等大量的傳感器，以及處理器轉換器等。這些模塊按照一定的協議組成無線網絡，每一個通信節點既是每一個模塊，傳感器的節點是一個網絡的基本單位，無線傳感器的節點運行穩定能提高整個網絡的可行性，這些組成的網絡類似于一個小系統，但是處理事務的能力較弱，在本次大氣揚塵無線傳感器應用中，節點的結構圖如圖2所示，它由四個部分模塊構成。

傳感器模塊負責將需要測量的信息收集，（例如某個氣體的濃度，溫度等常量）處理并加以轉換，已經處理轉換的數據傳送到下一模塊。傳感器節點之間的通信能力較弱，更容易受外界影響，例如地勢，天氣。無線通信常常因此中斷。當然傳感器自身結構和區域的限制還存在許多問題，譬如能量供應模塊電量有限，能量供應模塊通常使用微型電池，由于地域的限制，并不能為此及時蓄電，而且傳感器節點遍布較為廣泛，頻繁換電池使其極不方便。再者既是處理器模塊，該系統攜帶的處理器價格低功耗小，必定會影響處理器處理數據的能力。

（三）大氣揚塵監測的關鍵技術

首先傳感器的使用壽命要長，要根據需要監測區域的地域，天氣等因素設計從而增加傳感器的使用期限，再者盡量使傳感器靈巧輕小，使他的精確度達到一定的水平。在部署傳感器模塊，應對該區域進行最大化的能力覆蓋，保證區域都可以測量到，在此基礎上，用最少的節點來覆蓋整個區域。對于能量供應模塊，由于對此監測是一個長期性質的活動，則需要要求每個節點金可能的耗電要少。對于無線通信模塊，提高每個節點的通信效率是很有必要的。

四、總結

基于無線傳感器的大氣揚塵監測系統，能夠極大程度的提高監管空氣質量的效率，相對于傳統取樣空氣的方法更加便捷，更適合測出一些較大的活躍地區。使用傳感器較為輕便，能通過該系統實時掌控環境數據。傳感器擁有靈敏度高，操作簡便等優點，但在檢測過程中也有很多不足之處，可靠性比較差，使用壽命較短。需要在不斷改善，才能在大氣揚塵監測中得到廣泛應用。

參考文獻：

[1]何寧， 王漫， 方昀，等. 面向無線傳感器網絡應用的傳感器技術綜述[J]. 計算機應用與軟件， 2007， 024（009）：91-94.

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