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1、雾霾探测系统的无线传输一、雾霾概述1.1 雾霾概念雾霾，顾名思义是雾和霾。但是雾和霾的区分很大。空气中的灰尘、硫酸、硝酸等颗粒物组成的气溶胶系统造成视觉障碍的叫霾。从中国气象局2022年2月新闻发布会上获悉，入冬以来，中东部大部地区雾霾频发，雾霾日数普遍在5天以上。气象专家表示，造成雾霾天气偏多、偏重的缘由主要有以下三方面：一是1月影响我们国家的冷空气活动较常年偏弱，风速小，中东部大部地区稳定类大气条件消失频率明显偏多，尤其是华北地区高达64.5%,为近10年最高，易造成污染物在近地面层积聚，从而导致雾霾天气多发；二是我们国家冬季气溶胶背景浓度高，有利于催生雾霾形成；三是雾霾天气会使近地层大气
2、更加稳定，会加剧雾霾进展、加重大气污染。雾霾天气形成既受气象条件的影响，也与大气污染物排放增加有关，建议进一步加大大气环境治理和爱护力度，特殊是要加强多部门会商联动，完善静稳天气条件下大气污染物应急减排方案，以防范和掌握重污染天气的消失。1.2 我们国家现状2022年2月20-26日，持续7天的重度雾霾天气更是北京市数年来持续时间最长、空气质量最严峻的一次。部分站点PM2.5小时浓度超过每立方米550微克，达到空气质量指数AQl评价的浓度上限，即所谓的“爆表”。国外对此空气的评价是，“有毒！”气象的变化与人类生活紧密相关，直接影响着人类从事生产劳动、交通运输、航空航天等活动。气象观测是基础理论
3、与现代科学相结合，多学科交叉融合的独立学科，在大气科学进展方面起着至关重要的作用，处于大气科学进展的前沿。气象观测的信息和数据是开展天气预警预报、气候猜测预估、气象服务及科学讨论的基础，为促进大气科学进展供应科学依据.二、初期基于物联网的PM2.5检测模型结构设计初期设计构想出了一种基于物联网的人体可吸入颗粒PM2.5浓度监测模型，由传感器检测模块、路由器传输模块、数据汇合模块以及上位机模块组成。传感器检测模块用于猎取雾霾环境下的人体可吸入颗粒PM2.5浓度信息，同时将信息传递到路由器传输模块；路由传输模块则将猎取的信息反馈到数据汇合模块进行相关的操作；数据汇合模块将完成操作的信息反馈到上位机
4、模块，再通过上位机模块对信息进行分析、显示和报警。上述分析的人体可吸入颗粒PM2.5浓度监测模型，可确保户在任何时间、地点和任何环境条件下，得到有效的人体可吸入颗粒PM2.5浓度信息，检测模型的结构图用图1描述。图1检测模型的结构图Eig.1Thetestingmodelofthestmcture1.1 传感器检测模块传感器检测模块由人体可吸入颗粒PM2.5浓度传感器、末级微掌握器和末级Zigbee收发器组成；人体可吸入颗粒PM2.5浓度传感器用于猎取人体可吸入颗粒PM2.5浓度信息，再采纳A/D变换方法对PM2.5浓度信息进行分析后反馈到末级微掌握器；末级微掌握器对猎取的信息分析分析，采纳末
5、级Zigbee收发器传递到路由器传输模块，如图2所示。图2传感器检测模块Fig.2Thesensordetectionmodule1.2 路由器传输模块路由器传输模块由初始位置路由器节点、中继位置路由器节点、初始位置路由器节点的地1、2级微掌握器、第1、3级Zigbee收发器、中继位置路由器节点的第2级微掌握器、第2、3级Zigbee收发器组成。初始位置路由器节点采纳第1、3级Zigbee收发器，猎取传感器检测模块反馈的信息，将信息传输至第1、2级微掌握器，并进行相关的操作，再采纳第1、3级Zigbee收发器，将操作完的信息到中继位置路由器节点；中继位置路由器节点通过第2、3级Zigbee收发
6、器，猎取初始位置路由器节点中的信息，并将信息传递到第2、2级微掌握器，同时对信息进行相应的操作，再采纳第2、3级Zigbee收发器将操作完的信息反馈到数据汇合模块，如图3所示。图3路由器传输模块2. 3数据汇合模块数据汇合模块包括1级微掌握器以及2级zigbee收发器，如图4所示。2级zigbee收发器用于采集路由器传输模块反馈的PM2.5浓度信息，并且将信息传递到1级微掌握器进行相关的操作，过滤无价值数据信息，1级微掌握器管理2级Zigbee收发器，同时将操作完的信息反馈到上位机模型中。图4数据汇集模块Fig.4ThvdataacquisitionmtMule三、无线传感技术选择传统传感器网
7、络最早在上世纪年月消失，其已经拥有连接掌握器与点对点传输的雏形,此为第一代传感器网络。随着科学技术的进展，传感器网络逐步向能够猎取多种信号及综合处理力量的方向进展，此为其次代传感器网络。上世纪年月开头，传感器网络已经结合了当时先进的现场总线技术，能够连接大量多功能传感器组成智能化传感器网络，并通过无线连接技术进行通讯，至此无线传感网络渐渐形成。将来的网络传输技术将向着以下几方面进展：低成本实现高速率传输、适应多种环境、尽带简化的网络通信基础设施。具有较高敏捷性的无线传感技术必将在今后的通信网络中扮演着重要的角色。无线传感技术是依靠分布于被测区域内的若干网络节点猎取信总的。其节点具有肯定的运算力
8、量，各网络节点通过特定网络合同进行通讯。无线传感网络能够在目标区域内进行定位、识别、跟踪、探测等。目前最先进的微型传感器已经具计算、感知与通讯力量。3.1各种定位技术的比较名称GPS手机Wi-FiUWB蓝牙RFIDZigBcc主要应用航空、航海、运输、测量、勘探宽广地区音频和数据网络、Email、提供无线局域网的接入视频娱乐、雷达、室内密集多径的高速无线接入替代有线电缆设备识别、移动商务监控、构建网络系统资源IMb16MblMb一250Mb256bil2Kb4Kbl28Kb电池寿命17天17天0.5-5天10100天17天100-1000天6个月2年网络规模113218,大于8通信速率M著下降
9、1个读写器同时识别多个标签多目标识别，容量达65536速率128kpbs64128kpbs11IMbps儿口MbpsIMbps106kpbs20-250kpbs距离1000米1000米1-100米ZOlXZe OSOX/olZd 鬲 ZlZd gLled 9cold Ze ZlLd 8CO2d66LQCJ9Idn。*图8CC2530芯片典型应用电路协调器节点需要将某些收集到的环境参数作为对比参数长期保存，而且还需保存各节点电量信息以便在路由路径选择时作出符合要求的推断。这对于CC2530芯片内8051单片机内的RAM来说不能完全胜任，所以还需要采纳芯片外存储器。本系统采纳24C16型EEPRO
10、M。24C16为可擦除式PROM,分别采纳两线串行接口与2048*8-bit的组织结构。24C16存储器的存储功能与结构简洁，只能进行读操作与写操作。最低运行电压为1.8V待机电流最小可为lA最小工作电流为ImAo如图中SCL引脚负责串行时钟信号输入，SDA引脚为串行数据I0oGI)IOK图9片外存储器硬件电路五无线传感网络技术5.1无线传感网络无线传感网络是由分散在局部区域中大量的成本低、体积小、具有无线通信力量、数据处理力量的传感节点构成。每个节点具有不同的传感途径，比如超声波、红外线，或者某个具体的传感器等等，每个传感器节点可以对目标数据进行采集、传输、掌握，实现局部监控、目标定位和信息
11、猜测等任务。每个传感器节点都具有存储、处理、传输数据的力量。通过无线网络，传感器节点之间可以进行信息的传递、交换。无线传感网络节点一般由数据的采集单元、处理单元、传输单元组成。数据的采集单元由各种传感器和微信号处理、A/D转换设施组成，负责数据的采集。数据的处理单元由微掌握单元，如单片机或微处理器，以及微操作系统、数据处理程序等组成，负责将采集到的数据进行处理。并将传感器节点的位置信息、采集到的目标数据进行综合分析，然后将处理结果传送到数据传输单元或者存储在本地。数据的传输单元由无线收发模块组成，负责无线数据的收发。分为传感器节点之间的通信，以及传感器节点和传感器基站之间的通信。5. 2简洁网
12、络管理合同SNMP5. 2.1SNMP网络管理体系结构1 .简洁网络管理合同简洁网络管理合同(SimPIeNetworkManagementProtocol,SNMP)是网络管理者与代理之间通信的标准。管理者与代理之间通过网络管理合同交互信息。SNMP由IETF最初制定，前身是简洁网关监控合同(SGMP),现已成为网络管理领域上的事实标准。2 .网络管理模型如图10所示。在网络管理中，一般采纳管理者/代理模式，网络管理者通过操作指令向代理发送恳求，代理依据不同的操作指令对被管理对象进行操作，对被管理对象的操作实质上就是对MTB库进行操作，代理完成对被管理对象的操作以后，将对网络管理者进行响应,
13、Pl复操作结果。SNMP的指令传输是基于UDP合同实现的，UDP合同的特点在于不行靠传输，也就是说SNMP报文并不能保证正确传送，但一般在局域网范围内传输失败率可以忽视。MlB库图10网络管理基本模型3 .网络管理者网络管理者负责向SNMP代理发送管理操作指令，并接收来自SNMP代理的响应信息。网络管理者定期查询SNMP代理收集到的信息，网络管理者与SNMP代理之间交互的信息基于管理信息库，这些信息通过网络管理合同被封装在合同的PDU中，网络管理者向SNMP代理发送数据恳求，SNMP代理响应并把处理结果封装在合同的PDU中回复给网络管理者。4.SNMP代理SNMP代理(SNMPAgent)是一
14、段可执行程序，常驻留在被管理设施中，诸如交换机、路由器等设施，用于响应网络管理者发来的恳求和操作指令，同时也向网络管理者报告被管理设施的相关信息。5. MIB库存储被管理设施信息的库叫作管理信息库(ManagementInformationBase),一个或多个MIB文件组成一个MIB库,这些MTB文件需要依据管理信息结构的标准定义进行编写，MTB库呈现的是一个树形的结构，在网络管理过程中，对被管理对象的管理就是通过操作MIB库来实现的。5. 2.2SNMP合同体系结构如图11所示，为SNMP合同的网络体系结构，网络通信的实质就是进程间的通信，对于网络管理者与SNMP代理之间的通信可以看作为网
15、络管理者进程与SNMP代理进程间的通信。管理进程发送数据恳求时将指令封装成SNMP数据包，然后通过UDP合同发送至对等的代理进程。代理进程在接收到SNMP数据包进行解包，获得所需要的数据。如前文提到的，SNMP合同为应用层合同，基于UDP合同传输，所以间或会产生SNMP数据包丢失的状况。网络管理者管理代理代理进程图IISNMP合同体系结构经过这些年的进展，至IJ目前SNMP已经有了3种版木，分别为SNMPV1、SNMPV2和SNMPV3。第1版和第2版没有太大差距，但SNMPv2是增加版本。与前两种相比，SNMPv3则包含更多平安和远程配置。SNMPvl定义了5种合同数据单元类型，也就是Get
16、ReqUest、GetNeXtReqUest、SetReqUest、GetReSPonSe和TraP这5种基本操作。SNMPV2版本在vl版本的基础上又增加了GetBulk和Inform两种数据恳求类型。5. 3Net-SNMP资源包Net-SNMP是一个免费的、开放源码的SNMP实现，最早始于卡耐基梅隆高校的CMU2.1.2.1版本的SNMP源码，以前称为UCD-SNMPo在2000年11月又由UCd-SnmP更名为Net-SNMP,它包括agent和多个管理工具的源代码，支持多种扩展方式，Net-SNNfP支持SNMPV1、SNMPv2和SNMPV3,可以应用在IPv4及IPv6网络环境下
17、。6. 4AdventNetSNMP资源包AdventNetSNMPAPT是AdventNet公司供应的SNMP软件包。它遵守Internet的RFC法律规范，支持SNMPV1、SNMPV2c和SNMPv3,为开发者供应了一种开发基于SNMP应用软件的开发平台。该平台支持HTTP、RMT和CORBA等标准，并且供应了不同级别的开发库，使开发具有较大的敏捷性。开发者既可以使用较低层的APl访问具体的SNMP信息，又可以选用较高层次的APT而不需要处理SNMP细节，从而简化程序的开发过程。全部的AdventNetSNMPAPl均属于COm.adventnet.snmp.*。本文在实现过程中就采纳了
18、较高层次的APT而不需要关怀具体的SNMP通信细节，从而简化了程序的开发过程。7. 5嵌入式开发环境8. 5.1嵌入式LinUX操作系统Linux是一款内核源代码开放的，免费的操作系统，由于其具有可裁剪、内核小、效率高、适应于多种CPU和多种硬件平台等特点而被广泛的应用在嵌入式系统开发中。常见的嵌入式Linux操作系统如UCLinUx、EmbedixRTLinuxRTAI中科红旗嵌入式Linux以及目前最热的Android操作系统等。本课题采纳的是RTLinUX,内核版本为2.6.15。9. 5.2ARM处理器ARM(AdvancedRISCMaChineS)是英国的一家微处理器行业的知名企业
19、，主要从事RTSC处理器的设计，其设计出来的处理器具有性能高、成本低、能耗低的特点。ARM公司将其技术授权给世界上许多闻名的半导体、软件和OEM厂商如Intel.IBMLGSONY、三星等进行生产相应的产品。本课题采纳的是韩国三星公司生产的S3C2410A进行SNMP代理的设计。六、基于ZigBee的监控方案设计其中系统的硬件设计部分内容有：arm嵌入式中继平台的硬件搭建，ZigBee无线传感器网络的搭建及设施选型，各个功能模块之间通信方式的选择与接口的实现。软件部分的设计：ZigBee无线传感器网络数据采集与通信方式的设计与实现，嵌入式中继平台主机实时操作系统的裁剪移植、嵌入式SNMP代理的
20、移植、串口守候进程的移植、Web监控平台以及其与代理之间通信的设计实现。本课题使用交叉编译器arm-linux-gcc对IJnux内核、SNMP代理以及串口守候进程程序进行编译；使用MyEclipse7.5和MySql开发Web监控平台。使用Jennic的Codeblocks来开发并搭建ZigBee无线网络。设计内容如下：1) arm嵌入式中继平台的搭建；2) ZigBee无线网络的搭建与通信设计；3)嵌入式SNMP代理与串口守候进程的设计与移植；4) Web监控平台的设计与实现；5)设计Web监控平台与嵌入式中继平台之间的通信,从代理端返同的数据可实时查看,亦可纪录数据至数据库，供历史数据查
21、询。图12PM2.5检测系统的整体架构4.1 检测系统需求分析及构成无线传感网络是由分散在局部区域中大量的成本低、体积小、具有无线通信和数据处理力量的传感节点组成。每个节点可能具有不同的感知途径，比如超声波、红外线、某个具体的传感器等，每个传感器节点可以对目标数据进行采集、传输、掌握，实现局部监控、目标定位和信息猜测等任务。通过无线通信，传感器节点之间可以进行信息的传递、交换。因此,用无线传感器来搭建采集网络是一个比较适合的手段。那么怎样对无线传感器网络的数据进行检测和管理,是本系统方案首先要解决的一个问题，传统网络管理的方式有许多，其中以SNMP为代表的管理方式相对较成熟，同时也相对简洁、牢
22、靠。而到目前为止对于无线传感器网络来说，还没有一个较好的管理模式，木系统尝试将SNMP用于无线传感网络的管理中来，将无线传感器网络抽象为一个虚拟设施作为SNMP被管理节点，在无线传感器网络上部署SNMP代理。然而假如直接在无线传感器网络上部署SNMP代理，则需要无线传感器网络具有能够部署SNMP代理的基础，明显这不是无线传感器网络所具备的优势，并且不利于无线传感器网络低功耗的优势体现，所以需要查找一个汇合节点，作为无线传感器网络的管理入口，这样一个汇合节点能够以肯定的方式供应对IP支持，也就是说，具有特定的IP地址，能够搭建必要的TCP/IP合同，在接入网络时，能够被现有LAN、Interne
23、t等网络访问，从而可以在其上部署SNMP代理，运行SNMP代理，为SNMP管理无线传感器网络供应可能。在实际开发的过程中，基于ARM内核的嵌入式开发板就是一个比较合适的解决方案。嵌入式系统作为专用计算机系统，具有专用性强，实时性好，可裁剪性好，牢靠性高，功耗低等特点。木系统采纳三星公司基于ARM(AdvancedRlSCMaChineS)结构的S3C2410微处理器。出于用户的角度考虑，在线监控系统要为用户对数据查询的实时性、随时性、任意性供应便利，那么采纳基于Web的上层检测系统是一个比较好的方式，在整个监控系统中，采纳Web监控平台的优势在于，通过B/S(BrowseZServer)架构，
24、结合SNMP,用户可以在联接公共互联网的任何一台计算机上,使用通用扫瞄器调取信息处理中心服务器上所保存的数据，就可以查询某个指定代理下的某个终端上某个传感器的实时数据了。如图13所示，给出了监控系统的构成，整个系统主要由传感器模块、微信号处理模块、无线终端模块、无线协调模块、arm中继模块和veb监控平台组成。其中气体传感器实现PM2.5的识别以及气电转换；微信号处理实现微信号的放大、滤波、A/D转换；无线终端和无线协调模块实现局部无线网络数据的采集和通信；arm中继模块部署SNMP代理，实现对无线传感器网络的管理；Web监控平台则作为系统与用户之间的接口，实现数据的呈现以及整个系统的管理操作
25、。图13监控系统构成10. 2监控方案设计步骤本课题旨在实现雾霾的在线监控，需要对核心部分，即无线传感网络的构建、无线传感网络与现有传统网络管理的融合、局部环境数据采集、处理以及Web监控平台进行设计。为适应局部环境的简单多变，系统采纳无线传感器搭建局部采集网络；为满意系统的牢靠性和实时性要求，系统使用强大稳定的LinUX作为嵌入式中继平台的操作系统；为满意用户对远程在线监控的需求，系统采纳J2EE技术构建Web监控平台的方案，以达到用户实时的、便利的对目标局部环境PM2.5进行监控的目的。系统的核心部分ZigBee无线传感器网络管理方案如下图14oZigBee无线终端ZigBeC尢线终端 一
26、ZigBee尢线终端数据库及web务网络管理者_以太网ZigBCC尢线LZigBCC无线终端终端一ZigBee无线传感网络SNMP代理网络管理者图14ZigBee无线传感网络基于SNMP管理方案6. 2.1ZigBee无线传感器网络基于SNMP管理构成及工作原理ZigBee无线传感网络具有射频传输成本低，各节点只需要很少的能量，功耗低，适于电池长期供电，快速组网自动配置，自动恢复和高级电源管理等优点，所以特别适合用来组建局部无线网络。本方案就是采纳ZigBee搭建局部数据采集的无线传感网络，将无线传感网络与传统网络管理（SNMP）相结合，用传统的方式来对整个ZigBee网络进行管理，从而进一步
27、实现对局部无线网络的数据进行采集和监控。如图14所示，ZigBee无线传感网络基于SNMP的管理方案，将无线传感器网络抽象为一个虚拟设施，加入到传统网络中来，作为SNMP的一个被管理节点，在基于ARM内核的嵌入式开发板上部署SNMP代理，供应对SNMP的支持，作为SNMP对无线传感网络的管理入口，从而进一步实现对ZigBee无线传感器网络的管理。无线网络终端加电启动后，将自动加入无线网络协调整点所组织的网络中，组成一个无线传感器网络。无线网络协调整点在收到无线终端的相关数据后，通过RS232串口将数据传送至ARM处理机中，ARM处理机通过以太网口进一步将数据传送至网络管理者，网络管理者进一步访
28、问数据库相关纪录，对数据进行相关处理，实现对无线网络终端的管理操作。7. 2.2基于ZigBee的监控系统构成及工作原理在上述ZigBee无线网络管理方案的基础上,为局部无线传感网络的数据采集以及管理供应了有效可行的方法。监控系统实际上要实现这样一个检测过程：依据PM2.5在与电化学敏感材料的元件发生化学反应，通过电流、电量、电位和电阻等电化学参数的变化对气体进行检测，由气体传感器元件、放大电路、A/D转换电路以及ZigBee收发芯片构成检测装置,对PY2.5含量进行检测、数据分析、数据压缩、打包后，经ZigBee收发模块，单次或连续发送到中心监测计算机进行分析，对PM2.5浓度以曲线和数据方式显示，并超限报警，以及对相关数据进行存储管理或打印，对系统进行故障诊断的PM2.5的远程监测过程。整个系统包括三层结构，由ZigBee无线检测网络、嵌入式中继平台和Web监控平台组成。其中ZigBee无线检测网络包括ZigBee无线传感检测终端和ZigBee无线协调整点,每一个协调整点和若干个检测终端构成一个星型网络,对本局部环境中的传感器数据进行处理并通过串口将数据发送给嵌入式中继平台。Web监控平台和嵌入式中继平台之间采纳SNMP通信，实现对PM2.5的实时检测、分析预警和远程掌握功能。监控系统运行流程如图15o图15监控系统运行流程图
