基于空气质量监测的嵌入式实验构想

耿淑琴 汪金辉 侯立刚 袁 颖 彭晓宏

北京工业大学 北京 100124

基于空气质量监测的嵌入式实验构想

耿淑琴 汪金辉 侯立刚 袁 颖 彭晓宏

北京工业大学 北京 100124

空气质量监测是当前环境保护的一项重要内容。建立基于空气质量监测的嵌入式实验系统架构，采用空气质量污染的主要成分如CO，PM2.5，温度，湿度，NO2，SO2，O3，VCO和烟雾等传感器，并进行系统级低功耗设计、信号调理、统一接口和协议配置，建立方便可裁剪的智能传感器模块，将嵌入式系统与当前空气质量监测紧密结合，探讨新的教育模式。

嵌入式系统；空气质量监测；智能传感器模块；低功耗

随着人类活动对环境影响的不断加剧，颗粒物“隐形杀手”群体逐渐变得庞大，成分变得更加复杂，“杀伤力”也逐渐增强。 不论是灰蒙蒙的天空，还是不时出现的雾霾天气，这些都是大量极细微的干尘粒等浮游在空中，使能见度降低的空气普遍混浊现象，本质上正是无处不在的颗粒污染物造成的[1]。如何及时监测雾霾天气的出现，便于采取防范和治理措施，减轻对人们生活的影响已经成为全社会十分关注的问题。雾霾中的一些化合物在强烈的阳光紫外线照射下，会产生一种有刺激性的有机化合物，这个过程被称为光化学反应，产生含剧毒的光化学烟雾，严重威胁人类生命。空气质量监测的前端设备大多是嵌入式设备，因此这些设备的研制和开发嵌入式实验具有现实意义和社会意义。

经研究表明，雾霾主要由二氧化硫、氮氧化物和可吸入颗粒物组成，前两者为气态污染物，最后一项颗粒物是加重雾霾天气污染的罪魁祸首。它们与雾气相结合，使天空瞬间变得灰蒙蒙。北京监测的是颗粒物PM2.5，也就是直径小于2.5微米的污染物颗粒。这种颗粒物本身既是一种污染物，又是重金属、多环芳烃等有毒物质的载体。

从20世纪60年代开始，西方发达国家和地区的研究人员就对如何设计出针对性强、代表性好、目的性强的空气质量监测网络进行了大量研究[2-5]。监测范围从国家级到城市区域各种范围尺度的网络，研究对象包括了常规监测、交通监测、工业区监测等一系列不同目的的监测网络。

美国进行监测网络设计方面的研究已有很长时间，规则和技术相对完备和成熟，我国的空气质量监测起步较晚。进口其他国家的空气质量监测设备，价格非常昂贵，达上百万元，研制和开发适合我国自己的空气质量监测设备刻不容缓。将空气质量监测与嵌入式实验紧密结合，培养大学生研制市场急需的设备，不仅提高学生的实践能力，还为培养卓越工程师[6]探索新的教育模式。

无线传感网络(Wireless Sensor Network)是感应、通信和计算三大技术相结合的网络，是一种全新的信息获取和处理技术。近年来IC集成度的提高、传感器的微型化和集成化、通信技术的进步以及电池技术的改进，使微小的传感装置可同时具有感应、无线通信和处理信息的能力。此类装置不仅能够感应及侦测到空气质量的变化，还可处理收集数据，并将处理后的数据以无线传输的方式发送到网络中的汇聚节点。

借助于内置多种多样的传感器，无线传感网络节点可以测量其周围环境中的温度，湿度，光强，噪声，声压，烟雾，粉尘，CO2，VCO(有机物挥发气体)，CO，SO2，地震波，土壤成分及移动物体的大小和运动速度等诸多我们感兴趣的化学量和物理量。在通信方式上，虽然可以采用有线、射频和红外线等多种形式，但一般认为短距离的无线低功率通信技术最适合传感网络使用，这样的网络一般称作无线传感网络。

1 基于空气质量监测的嵌入式实验系统架构

本实验系统架构如图1所示采用两级节点，由上位机或协调器和终端节点构成，协调器即教师机具有3G通信的功能，安装在嵌入式实验室教师机上，能接收终端节点发来的信号，并能向终端节点发送命令。学生实验设计和调试的设备就是终端节点，若实验成功可以将学生所在位置的环境信息发送到教师机主设备上。

本实验所实现的无线传感网络终端节点系统由单片机控制，因而具有一定的信息处理能力，可以根据指定的配置参数进行工作。它向外发送的信息也比较丰富，包含节点学生名称和各传感器的输出数值等。

本实验的意义在于，它通过使用无线的方式进行通信和组网，实现了空气环境信息的实时监测和通信，实现了嵌入式系统理论和实际应用的紧密结合。

2 基于空气质量监测的嵌入式实验的特点

2.1 低功耗

基于空气质量监测嵌入式实验的终端节点一般由电池供电。而此类无线节点在其使用过程中，不能经常给电池充电或更换电池，一旦电量用完，节点也就失去了作用。因此采用系统级低功耗的设计方法降低软件、硬件每个模块不同状态的功耗，从而降低终端节点的总功耗。本项目终端节点可以采用电池或太阳能供电方式，长久且方便地解决终端节点的供电问题。

图1 基于空气质量监测的嵌入式实验架构

2.2 与物理世界紧密交互

基于空气质量监测的嵌入式实验终端设备与物理世界紧密耦合，在无人值守的情况下，终端设备应该具有主动感知外界环境，对环境的变化做出实时或定时反应，并根据物理环境的改变决定自身系统状态的能力。

2.3 网络自组织、自维护

基于空气质量监测的嵌入式实验决定了其必须采用自组织的工作方式选择就近的上位教师机。终端传感器节点常常采用随机部署的方式，节点的位置和相互邻居关系不能预先确定，而且节点可能由于电源耗尽或其他原因而失效。

因此基于空气监测的嵌入式实验必须能够通过终端节点之间的协调，自动进行网络的组织和维护，以适应不断变化的自身条件和外部环境。

2.4 节点数量众多、分布密集

为了对一个嵌入式实验室执行监测任务，往往会有大量的传感器节点。通过节点的较密集的分布，可以使在同一实验室内存在大量的冗余节点，节点的冗余性可以使系统具有很强的容错性能，由此降低对单一传感器节点的可靠性要求。

2.5 基于空气监测嵌入式实验使用的灵活性

由于不同时期实验室的环境不同，空气中构成成分差别较大，例如在冬天或夏天，传感器根据需要可以灵活地裁剪使用。另外，可以模拟不同的应用场所，有的需要大范围测试，需要通信的距离长；有的需要很短的距离即可，因此，根据需要可以选择不同的通信模块如433 MHz，2.4 GHz等进行通信。监测的有关项目内容包括了CO，PM2.5，温度，湿度，NO2，SO2，O3，VCO等多种不同指标。

3 基于空气质量监测嵌入式实验的终端节点系统架构

基于空气质量监测的嵌入式实验终端节点系统架构如图2所示。主要由传感器、电源、控制器和通信模块构成。传感器由PM2.5，CO，NO2，SO2，O3，VOC，烟雾传感器和温湿度传感器等构成，传感器类型可以根据需要进行可裁剪使用，留有相应的传感器接口，根据不同的测量环境空气质量按需采用。射频模块由433 MHz，2.4 GHz等模块构成，根据特定的应用需求可以进行灵活使用。

图2 基于空气质量监测的嵌入式试验终端节点系统

为保证空气质量监测终端节点系统的低功耗，采用系统级低功耗和数据压缩的方法，从软硬件两方面，认真设计、研究和选择每个模块的功耗，进而研究系统的低功耗。并通过数据压缩等方法降低系统功耗。延长终端节点的电池工作时间。

4 结束语

空气质量监测的前端设备大多是嵌入式设备，因此这些设备的研制和开发嵌入式实验具有现实意义和社会意义。基于空气质量监测的嵌入式实验系统，既能满足嵌入式课程的需求，又能将理论与当前急需的空气质量监测紧密联系，使理论与实践紧密结合。提高大学生的实践能力，为培养卓越工程师探索新的教育模式。

[1] 天津课题组.根治雾霾,刻不容缓[J].天津经济,2013(3):39-47

[2] Kenneth L. A review of national monitoring networks in North America[J]. Atmospheric Environment, 2000,34(12/13/14): 1861-l884.

[3] Ainslie B. Beuten c, Steyn D G，et al Application of an entropybased Bayesian optimization technique to the redesign of an existing monitoring network for single air pollutants[J]. Journal of Environmental Management, 2009,90(8): 2715-2729.

[4] Lin w, Marc B，Matthieu C, Optimal reduction of the ozone monitoring network over France[J]. Atmospheric Environment, 2010, 44(25): 3071-3083.

[5] Serena R，Patrizia L，Ehsa P Statistical and diagnostic evaluation of the ADMS—Urban model compared with an urban air quality monitoring network [J]. Atmospheric Environment, 2009, 43(25): 3850-3857.

[6] 李书伟,刘绍娜.“卓越工程师培养计划”下实践教育的思考[J].中国现代教育装备,2011(11):138-140.

Air Quality Monitoring Concept for Embedded System Experiment

Geng Shuqin, Wang Jinhui, Hou Ligang, Yuan Ying, Peng Xiaohong
Beijing University of Technology, Beijing, 100124, China

Air quality monitoring is an important part of the current environmental protection. The embedded system experiment based on air quality monitoring system， Air quality polluted components such as temperature， humidity， CO， PM2.5， NO2， SO2， O3， VCO， smoke and so on， these sensors are used in this system. System level low power design， and signal processing， interface， and protocol configuration are completed. Create a scalable smart sensor module. It is explored a new mode of education embedded systems with the current air quality monitoring closely.

embedded system; air quality monitoring; smart sensor module; low power consumption

2014-08-08

耿淑琴，博士，高级讲师。汪金辉，博士，讲师。侯立刚，博士，讲师。袁颖，博士，高级实验师。