基于无线传感器网络大气扬尘监测系统

郭耀辉

摘要：目前大气扬尘越来越严重，监测城市大气扬尘已经越来越重要，本文主要研究利用无线传感器监测一个范围内的大气扬尘浓度，实现及时发现问题及时把问题反映出来达到随时随地的监测当地空气质量。

关键词：无线传感器;大气扬尘;监测

一、引言

无线传感器的一个重要领域即环境监测，而基于无线传感器网络的大气扬尘监测系统是无线传感器网络在大气环境监测的一个重要的部分，大气扬尘监测系统主要运用到大气环境监测，工地扬尘监测等很多方面。扬尘监测系统主要监测一氧化碳，二氧化硫，二氧化氮，臭氧等气体，以及PM2.5 PM10等微小颗粒物，由于大气污染影响因素极多，扬尘监测系统也需要考虑空气的湿度，风向，温度等因素。该环境监测运用化学，生物学，物理学等知识不间断的测量空气中污染物的密度，从而保障人们的健康，空气的质量。

二、设计思路

传统的大气扬尘监测分析的方法比较简单，需要的设备也不需要很先进，但是也存在着一些问题，譬如，一空气中的的某些气体不能与吸收液完全反应，这样会导致测量结果偏小，二空气中含有各种有毒气体，若被测量地区有毒气体浓度过高，就会严重损害人体的健康，三空气取样测量只能测量某个地区某个時间点的空气质量，若想要得到该地区空气质量的实时值，极为不方便，此空气测量法使用于偏远地区。

大气扬尘的监测，应该有以下几个优点：一是具备实时性;二是准确全面的反映数据;三是便于查看管理，由以上可总结出，基于无线传感器网络的大气扬尘环境监测系统要远远优于传统的大气扬尘监测技术，进一步满足了环境监测部门的需求。基于无线传感器网络的大气扬尘监测系统可以实现某个地区的全面信息采集，传感器无线传输，及集中处理更是提高了监测人员的工作效率，为监测人员带来了极大的便利，该方案是实现大气环境网络化监测的一种比较先进的解决方案。

基于无线传感器网络的大气扬尘环境监测系统可以大致由硬件部分和软件部分组成。数据的采集需要选定合适的传感器，监测某些气体的传感器，温度湿度传感器等，以及一些应用数据服务器，构成了该环境监测系统的硬件部分。而软件系统大致分为串口通信模块，数据转换，存储模块以及sink节点进行通信。通过使用大量的传感器互联形成的传感网络，监测人员可以对需要监测的地区进行不间断的数据采集，这种数据采集更加精确。

三、主要内容及关键技术

（一）系统体系结构

基于无线传感器的大气扬尘环境监测系统的体系框架由通信节点，sink节点，以及数据，应用服务器四部分组成。大量的传感器节点随机部署在被检测地区，通过自组织方式组成传感器网络。数据采集，信号处理以及无线通信功能是通信节点的主要功能。通信节点与sink节点之间采用多跳通信方式，目的是为了节约通信节点的电能。在该系统的结构中通信节点范围内一定要有另一个通信节点或者sink节点，这样就能保证每一个通信节点和sink节点建立无线链路。

为了能最大化利用资源，可以根据通信距离来选择信号发射器，当被测区域相对较大时，可以选择发射信号较广的发射器，不必增加成本设置更多的天线，由此降低建造该系统的成本。对于数据，应用服务器可以利用网络接入到当区域的监管部门，由此使得监管人员更加便利的接受数据，对数据有及时性的处理方式，大大提高工作效率。

（二）节点组成结构

在需要监测的一个区域内布置二氧化硫传感器，二氧化氮传感器，风向传感器，温湿度传感器，温度传感器等大量的传感器，以及处理器转换器等。这些模块按照一定的协议组成无线网络，每一个通信节点既是每一个模块，传感器的节点是一个网络的基本单位，无线传感器的节点运行稳定能提高整个网络的可行性，这些组成的网络类似于一个小系统，但是处理事务的能力较弱，在本次大气扬尘无线传感器应用中，节点的结构图如图2所示，它由四个部分模块构成。

传感器模块负责将需要测量的信息收集，（例如某个气体的浓度，温度等常量）处理并加以转换，已经处理转换的数据传送到下一模块。传感器节点之间的通信能力较弱，更容易受外界影响，例如地势，天气。无线通信常常因此中断。当然传感器自身结构和区域的限制还存在许多问题，譬如能量供应模块电量有限，能量供应模块通常使用微型电池，由于地域的限制，并不能为此及时蓄电，而且传感器节点遍布较为广泛，频繁换电池使其极不方便。再者既是处理器模块，该系统携带的处理器价格低功耗小，必定会影响处理器处理数据的能力。

（三）大气扬尘监测的关键技术

首先传感器的使用寿命要长，要根据需要监测区域的地域，天气等因素设计从而增加传感器的使用期限，再者尽量使传感器灵巧轻小，使他的精确度达到一定的水平。在部署传感器模块，应对该区域进行最大化的能力覆盖，保证区域都可以测量到，在此基础上，用最少的节点来覆盖整个区域。对于能量供应模块，由于对此监测是一个长期性质的活动，则需要要求每个节点金可能的耗电要少。对于无线通信模块，提高每个节点的通信效率是很有必要的。

四、总结

基于无线传感器的大气扬尘监测系统，能够极大程度的提高监管空气质量的效率，相对于传统取样空气的方法更加便捷，更适合测出一些较大的活跃地区。使用传感器较为轻便，能通过该系统实时掌控环境数据。传感器拥有灵敏度高，操作简便等优点，但在检测过程中也有很多不足之处，可靠性比较差，使用寿命较短。需要在不断改善，才能在大气扬尘监测中得到广泛应用。

参考文献：

[1]何宁， 王漫， 方昀，等. 面向无线传感器网络应用的传感器技术综述[J]. 计算机应用与软件， 2007， 024（009）：91-94.

[2]包宇轩. 一种基于无线传感器网络的环境监测系统：， CN108365679B[P]. 2019.

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