基于無線傳感器網絡的大氣揚塵檢測

韓寶碩

摘要：大氣環境監測系統的設計目標依靠無線傳感器網絡技術來對大氣環境中的污染物進行數據信息采集的監測系統。該系統用無線傳感器節點作為數據采集的基本單位和平臺，傳感器節點能在被監測區域中自己組建網絡，采集所需要的數據信息，并傳送給監測終端。

關鍵詞：無線傳感器;傳感器;大氣揚塵檢測

一、引言

大氣污染問題目前越來越受到國家和人民的重視，其中一類污染源就是大氣揚塵。大氣揚塵污染對人體健康有著極大的危害，顆粒小于10微米的粉塵可以通過呼吸吸入下呼吸道，顆粒小于2.5微米的粉塵會沉積到肺泡。而房屋建設施工、道路與管線施工、房屋拆除、物料運輸等活動都會產生粉塵顆粒物，對大氣造成污染。城市環境中，不文明施工現象頻發，基層環保部門面臨監控面積大、收集證據難等壓力。我們可以利用無線傳感器網絡知識，設計一種能夠對目標區域大氣揚塵進行監測的系統，以便管理人員能夠快速發現違法現象。

二、設計思路

首先，在使用大氣環境監測系統監測期間，不能影響被監測區域的生態環境以及生物的各種活動，保證該地區自然環境的原始狀態。其次，傳感器節點所采集的數據在傳輸期間不能發生丟失，失真以及較長延時等故障，過多的錯誤數據或者無效數據，會影響所收集的數據的真實性和參考意義。第三，后臺數據庫需要有足夠的存儲空間，對所采集到的數據進行存儲，以便日后的查看和作相應的數據分析。第四，無線傳感器網絡需要有足夠長的使用壽命，要確保無線傳感網絡的穩定性，經常性出現問題，會加大鋪設節點所造成的成本和開支，導致得不償失。第五，用戶終端需要允許用戶對采集的數據結果進行查看和訪問，以及必要性的控制和管理。

三、主要內容及關鍵技術

大氣環境質量監測是指對一個地區大氣中的主要污染物進行布點觀測，并由此評價大氣環境質量的過程。而大氣中的主要污染物為二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳、臭氧等，設計大氣環境監測系統時應該進行觀測統計。而且氣象條件也對大氣污染有很大影響，所以大氣環境監測系統還應該包含風向、風速、溫度、相對濕度、氣壓等氣象參數的測定。此外，反映碳排放的重要指標是二氧化碳的排放量，還應該把二氧化碳列入監測項目之一。綜上所述，大氣環境監測系統應該包括NO2傳感器、SO2傳感器、CO傳感器、O3傳感器、CO2傳感器等氣體監測傳感器和風速風向傳感器、溫濕度傳感器、氣壓傳感器等物理信息監測傳感器。

大氣環境監測系統是由無線傳感器網絡組成的，可以分為傳感器層、中間件層、用戶應用層三部分。

傳感器層由嵌入式網關和若干傳感器網絡節點組成拓撲結構的無線傳感器網絡組成，是大氣環境監測系統進行數據采集的硬件基礎。傳感器網絡節點隨機部署在待檢測區域內的傳感器獲取用戶所需要的被監測區域的環境數據及地理位置信息，再將這些數據通過GPRS無線傳輸模塊或者 ZigBee 無線通信方式傳輸到中間件層中的服務器接收。中間件層實現對傳感器節點的調度控制以及傳感器節點進行數據采集的各種參數的設置，與此同時，中間件作為傳感器層與用戶應用層之間的橋梁，其將傳感器層發送過來的數據進行數據有效性判斷和相應的數據格式轉換后存儲到后臺數據庫。用戶應用層通過上位機操作界面獲取數據庫中的各種數據信息，并根據自己的實際需求向中間件層反饋相應的命令，中間件根據用戶下達的信息翻譯成相應的指令來控制傳感器層，從而滿足用戶的特殊需求。

大氣環境監測系統監測到數據后，系統會根據提前預定的大氣揚塵污染標準來判斷數據是否有異常。如果有異常數據且長時間存在，系統會通過管理人員安裝的應用程序向管理人員發送通知，通知內容包含污染的地理位置信息，污染物種類，污染超標數據、傳感器節點編號等內容。通知以就近原則，分析節點的位置和所有管理人員的位置，優先發送給距離節點最近的管理人員，以便于問題可以及時得到解決，管理人員可以在接收到推送第一時間趕赴現場進行處理，若一段時間后，被通知的管理人員未能及時處理通知，系統會擴大通知范圍再次發送通知。以此類推，直到大氣污染異常數據問題被管理人員處理，管理人員還可通過對系統中的監測終端節點采集的污染數據進行查詢，以觀測污染物的日常分布情況。系統還會自動統計分析各個地點的污染數據趨勢，給出某個節點在將來會發生污染的概率。管理人員可以根據大氣環境監測系統預測的提示去提前處理隱患，盡量不讓污染情況的發生，防患于未然。

四、總結

無線傳感器具有組網靈活的特點，每個終端節點都具有路由功能，可以采集和轉發數據。終端節點之間可以自發的組建網絡，不依賴輔助設施或者人為干預。終端節點之間可以動態拓展，如果有終端節點因為能量不足或者環境干擾等因素的損壞而失效，那么剩余的節點可以互相協調互補，組建成新的網絡，不會影響全局任務的進行。無線傳感器網絡大大的降低了人工成本，使數據收集變得簡易化，數據化。無線傳感器網絡是物聯網的基礎，傳感器網絡是物聯網的基礎感知層，可以進行對物體信息的采集和提取，這一功能對于物聯網技術的發展與應用，起著至關重要的作用。

參考文獻：

[1]宋永獻， 王經卓， 龔成龍，等. 一種基于無線傳感器網絡的環境檢測系統：， CN111044678A[P]. 2020.

[2]趙繼春， 孫素芬， 郭建鑫，等. 基于無線傳感器網絡的設施農業環境智能監測系統設計[J]. 中國農機化學報， 2020， v.41;No.314（04）：152-157.

[3]包宇軒. 一種基于無線傳感器網絡的環境監測系統：， CN108365679B[P]. 2019.

河南工學院 河南 新鄉 453003