基于灯联网的雾霾监控系统开发与研究
2015-12-15滕道祥,王健,王克权等
基于灯联网的雾霾监控系统开发与研究
滕道祥，王健，王克权，刘爱云，杨宏光，马晓杰
(徐州工程学院，江苏 徐州221018)
摘要：为有效监测与预警持续雾霾天气造成的污染，开发了基于灯联网的雾霾监控系统.该系统在现有的城市道路路灯系统网络上加入雾霾检测设备，通过上位机应用程序和无线通讯模块实现远程监控，并利用下位机控制亮灯时间以及雾霾数据信息的采集与反馈，解决了物联网基站搭建成本高、供电难等问题，便于环境监测与管理部门对雾霾天气的预测与防治.
关键词：灯联网；VB；PM2.5
收稿日期：2015-04-15
基金项目：国家大学生创新训练计划项目(201411998011Z)
作者简介：滕道祥(1961-)，男，江苏徐州人，教授，主要从事应用物理学与光电技术研究.
中图分类号：TP273+.5文献标志码：A
物联网是指在现实世界的物品中嵌入特定的传感设备及软件，通过感应识别技术、专用网络和信息系统进行自动信息读取、传输和智能处理，从而实现人和物、物和物之间的自由信息交换与智慧行动的网络系统[1].灯联网是物联网在照明行业的一个具体应用，利用各类传感器采集需要的信息，完成对灯具的实时控制，并通过系统联网形成一个分布式的区域性监控平台，使监控和节能管理效益最大化.近年来，我国多地多次出现了严重的雾霾天气，严重影响到人们的生活与工作[2|3]，随之物联网技术在环境监测中应用成为研究热点，但实施过程中存在着基站搭建成本高以及供电难等问题，而利用灯联网无疑是一项很有意义的事情.由于目前相关的研究尚不多见，故此利用城市道路路灯覆盖范围广、本身具有供电系统的特点，建立一个路灯系统网络，通过加入雾霾检测设备，实现对路灯周围雾霾浓度值的检测，并根据污染源周围PM2.5浓度值较高的原理，由系统联网确定污染源的大致位置.鉴于雾霾天存在天黑时间和平常亮灯时间不一致的问题，为此系统通过雾霾浓度值和光照强度的检测结果自动调节亮灯时间.该系统可方便环境管理部门对污染源的监管，以及雾霾天市民早晚安全出行，因此具有较高的社会实用价值.
1 设计方案
本系统是利用灯联网系统中的传感器对单个路灯附近雾霾浓度和光照强度进行检测，智能调节亮灯时间，并通过联网确定污染源位置，便于管理部门对污染源的防治.为了方便管理人员的监控，设计了上位机应用程序，实现了可视化监控和管理，即通过上位机应用程序和无线通讯模块实现对灯联网系统的远程监控；上位机应用程序发送控制及采集数据命令，通过无线通讯模块将命令发送给下位机；下位机接收到命令后，根据相应命令来控制亮灯时间以及数据信息的采集；下位机将采集的数据发送给上位机，上位机处理得到相应的可视化信息，并由上位机软件界面显示.
该系统采用VB编写上位机软件，通过无线通讯模块对下位机进行无线控制，下位机检测的数据经过单片机处理，并通过无线模块将数据传输给上位机，上位机再对数据进行处理分析，得到相关的监控数据，显示在上位机界面上，以便于环境工作人员对其进行监控.系统结构如图1所示，系统原理如图2所示.
图1 系统结构图
图2 系统原理框图
2 上位机部分
本系统的上位机界面采用VB编程[4]，这是因为VB具有简单易用和稳定性较高的优点，方便普通工作人员的操作和监控.
通过软件界面可用于控制单个灯的亮灭，以及检测单个路灯附近的雾霾浓度和光照强度，并且可以观察雾霾浓度的变化曲线，对检测数据的处理分析可得到疑似污染源的路灯号，通过路灯号即可确定具体污染源地点.上位机应用程序的主界面如图3所示，系统的上位机界面还可根据实际监控应用要求设计相应的应用程序.
图3 上位机主界面
2.1MSComm控件的初始化
采用MSComm通信控件实现系统串行通信的设计[5|6].实现MSComm控件进行通信[7]控制的一般步骤为：1)加入通信控件;2)设置通信端口号码;3)设置通信协议;4)设置传输速度等参数;5)设置其他参数;6)打开通信端口;7)送出字符串或读入字符串;8)使用完MSComm通信后，将通信端口关闭.
2.2串口通信初始化
首先设置定时器1的工作模式，并配置串口的工作方式，再设置波特率，最后分别使用定时器，打开串口中断，打开总中断.初始化函数如下：
void uart_init(void)
{
TMOD = 0x20; //T1方式模式2
SCON = 0x50; //设置串口方式1,并允许串口接收
TH1 = 0xFd; //波特率9600,Fosc=11.0592 MHz
TL1 = 0xFd;
TR1 = 1; //启动定时器1
ES = 1; //打开串口中断
EA=1;//开总中断
}
2.3串口中断处理
当进入串口中断函数后，首先判断是否接收数据，如果接收到数据，便依次将数据赋给数组redata，并由if条件语句判断接收到的数据(即上位机的控制命令)，下位机由此作出相关响应.
2.4发送命令程序
分别向不同路灯上的下位机控制模块发送控制命令，下位机根据不同的控制命令对其作出相关响应.
2.5接收数据程序
用if条件语句判断是否接收到数据，并将接收到的数据赋值给变量，对变量进行处理即可实现相关控制功能.
3 下位机部分
单个路灯的下位机原理如图4所示.
图4 下位机原理图
3.1光强度模块
系统中的光强检测模块使用BH1750FVI芯片.它是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路.这种集成电路可以根据收集的光线强度数据来用于微控制器对其进行处理和分析.利用它的高分辨率可以探测较大范围的光强度变化.
3.2雾霾检测电路
本电路的雾霾检测模块采用的是GP2Y1010AU0F传感器.该传感器是光学传感器系统，用于检测在空气中的固体颗粒的反射光，从而检测出周围环境中雾霾的浓度值.输出的模拟量经AD转换芯片转换为数字量,传递给单片机，然后单片机对雾霾浓度数据进行处理.
3.3无线通信
相比有线通信，无线通信降低了布线成本，减少了资源的浪费，并且使用方便，具有较高的适应性和扩展性，便于设备维护.
4 结语
本系统基于城市路灯系统，一方面能充分利用现有路灯资源，有效减少资金投入，便于大规模推广；另一方面路灯覆盖范围广这一特点将极大方便大范围环境数据采集，进而确定疑似污染源位置，从而实现对环境的监控.显然，该系统的成本较低，能有效预测与检测雾霾对环境的影响，具有较高的研究价值和推广价值.
参考文献：
[1] 董新平.物联网产业成长研究[D].武汉：华中师范大学，2012.
[2] 肖湘.透视“两会”中的“雾霾”[J].中国减灾，2013(4):12|14.
[3] 王琨,贾琳,黄丽刊,等.严重雾霾期大气PM2.5和PM10中水溶性离子污染特征[J].哈尔滨工业大学学报,2014,46(12):53|58.
[4] 杨本伦.Visual Basic开发技术大全[M].北京:清华大学出版社，2010.
[5] 范逸之,陈立元.Visual Basic与RS|232串行通信控制[M].北京:中国青年出版社，2002.
[6] 吴蓉晖,荣宏,马士英.基于MSComm控件的串行通信方法及实现[J].湖南大学学报:自然科学版,2003,30(5):100|103.
[7] 魏志强.利用VB实现PC机与多单片机远程无线通讯[J].微计算机信息，2004，20(11):90|92.
The Development and Research of Haze Monitoring
System Based on the Internet of Lamp
TENG Daoxiang, WANG Jian, WANG Kequan,LIU Aiyun, YANG Hongguang,MA Xiaojie
(Xuzhou Institute of Technology, Xuzhou, Jiangsu, 221018, China)
Abstract:In order to effectively monitor and forewarn the contamination caused by sustained hazy weather,a haze monitoring system based on Internet of Lamp is developed.On the basis of the current urban street lamp system network,this system is equipped with haze detecting device to realize the remote monitoring via upper computer application program and wireless communication module, and to control lighting time and data collecting and feedback via lower computer.This system can not only solve the problems of high|cost of base station construction and difficult supply of power of the Internet of Things but also provide the convenience for the Environment Detection and Management Department to forecast and control the hazy weather.
Key words:Internet of Lamp; VB; PM2.5
(编辑徐永铭)
