远程空气质量监测系统设计

自动化与仪表

■型骞与实践

文章编号：１００１—９９４４（２０１１）０６－００５４－－０３

远程空气质量监测系统设计

李

庆ｔ，张娅２

（１．宜宾学院物理与电子＿ｑ２程学院，宜宾６４４０００；２．宜宾职业技术学院电子信息工程系，宜宾６４４０００）

摘要：为满足对城市空气质量的实时监测．设计了基于ＧＰＫＳ通信的远程空气质量监测系统。系统终端节点利用电化学空气传感器和ＭＳＰ４３０Ｆ１４９单片机分别完成对气体浓度的检测和数据处理．然后将数据经ＧｐＲＳ通信模块送至中心服务器。中心服务器建立了数据库存储数据，并配置了专用软件完成查询、统计和绘图等操作。系统采用模块化设计．使用方便灵活。

关键词：空气质量检测；ＧＰＲＳ通信；远程监测

中图分类号：ＴＨ８６５文献标志码：Ｂ

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随着我国经济实力不断提高．各地新兴工厂密集建立．机动车保有量逐年增加，大气污染问题日益严峻．很多城市都建立了空气质量日报制度，但大多没有建立起完备的低成本的无间隙监测系统。本文设计了一种远程空气质量监测系统．其终端节点可将采集到的有害气体浓度数据通过ＧＰＲＳ网络传送至服务器。实现对城市大气的实时动态监控。该系统可灵活地部署在ＧＳＭ网络覆盖的区域．形成完备的监测网络。

质量为目的．故在系统设计时重点考虑以下几个问题：（１）城市中环境复杂。故需较多监测点采集足够样本数据．终端节点的成本不能过高．否则无法实现大范围部署：（２）必须有完备的电源解决方案，实现在复杂环境下的稳定供电；（３）在网络中断情况下，终端节点必须具备一定存储能力，防止数据漏报；（４）系统采用模块化设计。方便用户灵活使用［Ｉ】。

根据国家空气质量监测标准规定．终端节点完成对ＳＯ，。ＣＯ和ＮＯ，几种指标性气体的检测，并将检测到的数据处理后．通过ＧＰＲＳ模块发送至服务

１

系统总体设计

系统总体框图如图１所示。本系统以监测空气

收稿１３期：２０１０—１１—２４；修订１３期：２０１１－０３—２２

器。服务器将各终端节点的数据分类保存和统计，供用户查询。

作者简介：李庆（１９８０－），男，硕士，讲师，主要从事电子测试仪器方面的研究；张娅（１９８０－），女，讲师，主要从事计算机网络

方面的研究。

田

自动化与仪表

传感器检测到的气体浓度信息为体积浓度．单位是ｐｐｍ。而我国大气监测标准中规定气体浓度用

质量浓度表示，单位为ｍ咖’。终端模块上传的数据

必须进行单位转换．转换公式为

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（１）

其中：Ｚ为气体质量浓度，ｍｅＣｍ，：Ｍ为气体分子量；ｃ

圈１系统总体框田

Ｆｉｇ１

为气体体积浓度，ｐｐｍ；Ｔ为气体温度，℃；舶为大气

压强，Ｐａ。从式（１）中可知，单片机在采集气体浓度信息同时．还应采集温度和大气压强。

单位换算Ｔ作由ＭＳＰ４３０Ｆ１４９单片机完成．这样终端节点只需向服务器发送单位转换后的气体浓度值．不用再发送温度值和气压值．从而减少数据传输量。ＭＳＰ４３０Ｆ１４９单片机芯片内带有独立于ＣＰＵ的硬件乘法器．可高效率地执行乘法运算．在进行单位换算过程中不会影响终端节点的整体运行效率。

ＧＰＲＳ通信使用北京麦捷通信的Ｇ２００型ＧＰＲＳ模块实现。该模块内部集成了ＡＴ指令响应操作机制．用户不使用ＡＴ指令即可对ＧＰＲＳ模块进行设置．节约了开发时间和费用。另外．Ｇ２００模块支持透明数据传输格式．用户可以根据自己需要组织数据传送，提高了编程的灵活性。ＭＳＰ４３０Ｆ１４９单片机与

Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ

２终端节点设计

终端节点采用模块化设计．由控制核心模块、传感器模块、ＧＰＲＳ模块和电源模块组成（如图２）１２。。

国２终端模块电路框图

Ｆｉｇ２

Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｔｈｏｔｅｒｍｉｎａｌｎｏｄｅ

Ｇ２００模块的通信通过串口实现。Ｇ２００接收到服务器传来的参数设置命令后．自动转发给单片机．单片机缓冲区写满后串口发出中断信号提示ＣＰＵ收取数据．并修改相关模块的参数ｒ。

终端节点需部署到复杂的城市环境巾．其供电的稳定性和灵活性是需要重点考虑的问题。为终端模块分别设计了使用２２０Ｖ市电和使用５Ｖ干电池２套供电方案。为提高检测精度．专门设计了一路稳压电平输出．作为ＭＳＰ４３０Ｆ１４９单片机上ＭＤ转换器的参考电平。

传感器模块选用瑞士ＭＥＭＢＲＡＰＯＲ电化学系列气体传感器（Ｎ０２／Ｃ一２０．ＣＯ／ＣＦ一２００和Ｓ０２／Ｃ一２０）分别检测ＮＯ，，ＣＯ和ｓＯ：浓度，该系列传感器分辨率达０１ＰＰｍ．能满足本监测系统需求。电化学传感器一般使用寿命为２年．为方便更换传感器并提高其检测精度．将传感器及其信号调理电路设计在一块独立的ＰＣＢ板上。由于传感器电流信号变化在ＩｌＡ级．因此调理电路选用具有高输入阻抗、低温漂和零漂指标的仪用适放搭建．并在该模块的供电电路中加入１１公司的ＴＩＡ３１稳压芯片抑制电源纹渡。

控制核心使用了Ｔ１公司的ＭＳＰ４３０Ｆ１４９单片机。该单片机中集成了８通道的１２位Ａ／Ｄ转换器．完全满足对传感器模块电平采样分辨率的要求。在气体检测过程中．为改善采样数据的线性性．修正由温漂和零漂所引人的系统误差．终端模块在部署前需进行校准。在不同温度区间内得到的校准数据被分割为３张修正表写人到ＭＳＰ４３０Ｆ１４９单片机芯片内自带的６０ＫＢ容量的ＦＬＡＳＨ中．

３终端节点软件设计

终端模块可通过接收服务器发送的命令对参数设置．也可由工作人员在现场通过键盘设置键盘采用中断工作方式，见图３。检测时，单片机首先读取温度传感器数值．以确定调用哪张修正表；然后．读取当前的时间（月、日、时、分）：最后再采集气体浓度数据．并对其处理。数据采集完成后．单片机将所有数据接图４格式组织起来。调整好的数据帧在ＧＰＲＳ阿络连通时直接发送至服务器．如遇网络中

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自动化与仪表

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数据的分析、绘图、排列等操作。Ⅱ软件还使用了ＡＤＯＱｕｅｒｙ组件完月数据库查询，查询结果也在ＤＢＧｒｉ（件中显示。监测软件界面见图５。

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断．则先存人ＳＲＡＭ中。为防止ＳＲＡＭ溢出，单片机在网络中断时的采样周期从ｌｍｉｎ增加到１０ｍｉｎ。

终端节点采用Ｇ２００模块的有格式数据传送方式。模块规定每次传送数据长度在１—２４０字节间，超过该范围视为发送失败。图４中ＤＴＨ是Ｇ２００模

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５结语

率空气质量监测系统．使用ＧＰＲＳ网络传输数

围４数据传输格式

ｆｏｒｍａｔｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ

据．便于终端模块的大量部署．节省了成本．可靠性高。终端节点采用以ＭＳＰ４３０Ｆ１４９单片机为核心的模块化设计．使用灵活、便于传感器更换和调试．提

４服务器监测软件设计

使用ＢｏｒｌａｎｄＣ＋＋Ｂｕｉｌｄｅｒ设计服务器监测软件．采用ＳｅｒｖｅｒＳｏｃｋｅｔ控件实现终端节点的网络接入控制和数据接收。考虑到服务器接人终端节点数量不大．且每次终端连接后传输的数据量小．选用ＳｅｒｖｅｒＳｏｃｋｅｔ控件非阻塞通信方式。该方式下．服务器在一个线程中与所有已连接的终端节点通信”“。

当有中端节点连接到服务器时．ＳｅｒｖｅｒＳ００ｋｅｔ控件根据它们的连接先后顺序．为其指定一个索引号（Ｓｅｒｖｅｒｓｅｃｋｅｔ一＞Ｓｏｃｋｅｔ一＞Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ［ｉ］，ｉ为索引号）并在ＯｎＡｅｃｅｐｔ事件中读取终端节点的ＩＰ地址等信息。当终端节点通知服务器读数据时．在ＳｅｒｖｅｒＳｃｅｋｅｔ的０ｎＣｌｉｅｎｔＲｅａｄ事件中按索引号依次

高了测量精度。服务器监测软件在ｃ＋＋Ｂｕｌｉｄｅｒ开发环境同样使用模块化设计．软件功能可灵活调用和添加，提高了系统的通用性。经测试，系统工作稳定．能够实现大面积空气质量实时监测的功能。

参考文棘：

【Ｉ］ｉｉ日．搴瑞锋，刘建日．等＃ｆＧＰＲＳ∞ｍ＊ｔｇ监控幕境

【Ｊ］怔表技术与传孵＃２００ｑ（９）：４５—４７

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