基于无线传感器网络的大气扬尘检测

韩宝硕

摘要：大气环境监测系统的设计目标依靠无线传感器网络技术来对大气环境中的污染物进行数据信息采集的监测系统。该系统用无线传感器节点作为数据采集的基本单位和平台，传感器节点能在被监测区域中自己组建网络，采集所需要的数据信息，并传送给监测终端。

关键词：无线传感器;传感器;大气扬尘检测

一、引言

大气污染问题目前越来越受到国家和人民的重视，其中一类污染源就是大气扬尘。大气扬尘污染对人体健康有着极大的危害，颗粒小于10微米的粉尘可以通过呼吸吸入下呼吸道，颗粒小于2.5微米的粉尘会沉积到肺泡。而房屋建设施工、道路与管线施工、房屋拆除、物料运输等活动都会产生粉尘颗粒物，对大气造成污染。城市环境中，不文明施工现象频发，基层环保部门面临监控面积大、收集证据难等压力。我们可以利用无线传感器网络知识，设计一种能够对目标区域大气扬尘进行监测的系统，以便管理人员能够快速发现违法现象。

二、设计思路

首先，在使用大气环境监测系统监测期间，不能影响被监测区域的生态环境以及生物的各种活动，保证该地区自然环境的原始状态。其次，传感器节点所采集的数据在传输期间不能发生丢失，失真以及较长延时等故障，过多的错误数据或者无效数据，会影响所收集的数据的真实性和参考意义。第三，后台数据库需要有足够的存储空间，对所采集到的数据进行存储，以便日后的查看和作相应的数据分析。第四，无线传感器网络需要有足够长的使用寿命，要确保无线传感网络的稳定性，经常性出现问题，会加大铺设节点所造成的成本和开支，导致得不偿失。第五，用户终端需要允许用户对采集的数据结果进行查看和访问，以及必要性的控制和管理。

三、主要内容及关键技术

大气环境质量监测是指对一个地区大气中的主要污染物进行布点观测，并由此评价大气环境质量的过程。而大气中的主要污染物为二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳、臭氧等，设计大气环境监测系统时应该进行观测统计。而且气象条件也对大气污染有很大影响，所以大气环境监测系统还应该包含风向、风速、温度、相对湿度、气压等气象参数的测定。此外，反映碳排放的重要指标是二氧化碳的排放量，还应该把二氧化碳列入监测项目之一。综上所述，大气环境监测系统应该包括NO2传感器、SO2传感器、CO传感器、O3传感器、CO2传感器等气体监测传感器和风速风向传感器、温湿度传感器、气压传感器等物理信息监测传感器。

大气环境监测系统是由无线传感器网络组成的，可以分为传感器层、中间件层、用户应用层三部分。

传感器层由嵌入式网关和若干传感器网络节点组成拓扑结构的无线传感器网络组成，是大气环境监测系统进行数据采集的硬件基础。传感器网络节点随机部署在待检测区域内的传感器获取用户所需要的被监测区域的环境数据及地理位置信息，再將这些数据通过GPRS无线传输模块或者 ZigBee 无线通信方式传输到中间件层中的服务器接收。中间件层实现对传感器节点的调度控制以及传感器节点进行数据采集的各种参数的设置，与此同时，中间件作为传感器层与用户应用层之间的桥梁，其将传感器层发送过来的数据进行数据有效性判断和相应的数据格式转换后存储到后台数据库。用户应用层通过上位机操作界面获取数据库中的各种数据信息，并根据自己的实际需求向中间件层反馈相应的命令，中间件根据用户下达的信息翻译成相应的指令来控制传感器层，从而满足用户的特殊需求。

大气环境监测系统监测到数据后，系统会根据提前预定的大气扬尘污染标准来判断数据是否有异常。如果有异常数据且长时间存在，系统会通过管理人员安装的应用程序向管理人员发送通知，通知内容包含污染的地理位置信息，污染物种类，污染超标数据、传感器节点编号等内容。通知以就近原则，分析节点的位置和所有管理人员的位置，优先发送给距离节点最近的管理人员，以便于问题可以及时得到解决，管理人员可以在接收到推送第一时间赶赴现场进行处理，若一段时间后，被通知的管理人员未能及时处理通知，系统会扩大通知范围再次发送通知。以此类推，直到大气污染异常数据问题被管理人员处理，管理人员还可通过对系统中的监测终端节点采集的污染数据进行查询，以观测污染物的日常分布情况。系统还会自动统计分析各个地点的污染数据趋势，给出某个节点在将来会发生污染的概率。管理人员可以根据大气环境监测系统预测的提示去提前处理隐患，尽量不让污染情况的发生，防患于未然。

四、总结

无线传感器具有组网灵活的特点，每个终端节点都具有路由功能，可以采集和转发数据。终端节点之间可以自发的组建网络，不依赖辅助设施或者人为干预。终端节点之间可以动态拓展，如果有终端节点因为能量不足或者环境干扰等因素的损坏而失效，那么剩余的节点可以互相协调互补，组建成新的网络，不会影响全局任务的进行。无线传感器网络大大的降低了人工成本，使数据收集变得简易化，数据化。无线传感器网络是物联网的基础，传感器网络是物联网的基础感知层，可以进行对物体信息的采集和提取，这一功能对于物联网技术的发展与应用，起着至关重要的作用。

参考文献：

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