用GPRS技术传送雾霾检测数据的研究

陆昕宇+李天予+江柯+许书绵+沈万里+沈行良

摘 要： 大气污染导致的雾霾，已经深度影响到了民众的生活，大气治理问题已经受到各方的高度重视。溯本逐源，从源头控制污染物的排放，加上末端的综合治理，才是大气污染防治的治本之策。大气雾霾监测系统利用雾霾检测器和GPRS模块数据传送，将所在地雾霾情况实时监测传输给手机APP终端，手机接收之后将数据整合显示给使用者，达到雾霾监测和提前应对恶劣天气的作用。

关键词： STM32微型处理器； GPRS； 雾霾检测

中图分类号：TP242

文献标志码：A

文章编号：2095-2163（2017）02-0125-03

Abstract：Haze caused by air pollution has deeply impact on people's life， so great attention has been paid to atmospheric governance issues by the parties. Chasing back to the source， from the source controlling pollutant emissions， and at the end integrating the comprehensive treatment are the fundamental strategy for prevention and control of atmospheric pollution. In the big aerosol haze monitoring system， use fog detector and GPRS module to realize data transmission，real-time monitor haze situation of specified zone and transmit to mobile phone APP terminal， after receiving， display the results to the user for data integration， further achieve the fog monitoring and deal with bad weather ahead of time.

Keywords：STM32；GPRS； haze monitoring

0 引 言

由于雾霾天气的时有发生，将直接影响到社会生产与生活，致使空气质量日益成为吸引人们瞩目的热点与焦点。雾霾是对大气中各种悬浮颗粒物含量超标的笼统表述，大气中细颗粒物浓度的升高将直接导致雾中有毒有害物质的大幅增加以及灰霾天气发生频率的连锁递增态势。而经研究可知，应对雾霾污染、改善空气质量的首要任务即是检测和控制大气细颗粒物。颗粒对人的身体健康具有明显负面效应，因此人们越发留意雾霾指数，就像关注天气预报一样，人们需要实时的检测来判断今日是否应采取“防護措施”，政府也需要依据雾霾指数来对城市大型工业进行整治，意在提速发展的同时也能着力保护人类自身赖以生存的环境。本次研究即以STM32、GPRS为基础，雾霾检测器为辅，设计实现了低功耗、实时性强和使用方便的检测系统。

1 总体设计方案

激光雾霾检测技术以其独特的优势，在本领域得到广泛普及应用，数据采集系统的电路也已日趋成熟，在一定程度上已经可以替代滤膜称重法、β射线法和震荡天平法、以及卫星遥感监测，大幅降低成本。特别地，RS-232接口能方便地读取数据。

PIC单片机连接雾霾传感器、LCD、GPRS模块，单片机先读取雾霾传感器的雾霾数据值，对收到的数据指定展开截取、运算、格式转换，用GPRS网络发送数据交由服务器加工处理，改进组网的灵活性，扩大了检测范围，提高采样密度，通过增加检测点，可以对整个区域雾霾状况做到全面的掌控了解。

装置设计时就考虑到大范围的监测系统，分布点多，密度高，而要横跨一个幅员宽广的区域，就会带来通信成本的大幅增加。为了降低成本，研究中采用GPRS的方式来无线传送数据，能简捷便利地接入通信网络，数据传输速度快，实时性强。作为数据采集点，每个检测点如果采集得越多，雾霾分布状况就会得到遍及全局的统计展示；接收数据实时性强，能够掌握雾霾发展的动向，便于及时探查雾霾的变化趋势，为发布雾霾数据预报提供基础重要依据。除此之外，还可以具体研发一个APP程序，充分利用手机实时接收雾霾的数据，便于支持实现工作和生活的安排，高效、快速地推进雾霾预防工作和各类应对措施的有利推广展开。系统设计原理如图1所示。

单片机PIC18F4520是整个系统控制的核心。利用攀藤科技PMS5003雾霾传感器遵循激光散射原理，精确测量PM2.5浓度，并且低功耗、低成本。由雾霾传感器检测到的数据通过USART串口1传输给单片机进行数据处理，这时数据会在系统版显示器上控制得到输出。单片机把雾霾传感器接收到的数据在经历了处理和格式转化进程后，结果数据即通过串口2传输给GPRS模块，此时GPRS模块会通过无线电波将数据传输给电脑服务器，GPRS的数据传送需要蜂窝网络，中国在低空领域蜂窝网络实现了基本覆盖，因此可以正常连接到GPRS网络。

服务器接收到数据将原始十六进制数据转化成十进制，即预定提供雾霾数据发布让使用者得知当日雾霾指数，并显示所在地各安置点雾霾区域的浓度指数绘图；处理雾霾数据并将数据拓展，传递更多有用的信息；在雾霾数据偏高的区域寻找污染源，同时提醒有关部门需于适当时即转入治理整治。

2 研究系统关键架构分析

2.1 PIC18F4520单片机

单片机选用MICROCHIP公司出品PIC18F4520，CMOS 8位PIC系列单片机，芯片集成有A/D、内部EEPROM储存器、比较输出、捕捉输入、PWM输出、I2C和SPI接口、CAN接口、异步串行通讯（USART）接口、FLASH程序储存器等。配有较丰富的硬件资源和接口，方便地扩展外设，根据要求分别连接LCD、按钮雾霾传感器和GPRS模块等组成小型检测系统，精简指令易于整定编程。

2.2 传感器模块

关于雾霾传感器的设置，研究中经过反复比对，最终选取PMS5003作为监测雾霾数据的传感器。PMS5003是一款以经济型为亮点特色的雾霾传感器，通过激光散射到空气来测定空气中悬浮颗粒物，折算到颗粒物质量浓度。RS-232通讯接口输出检测到的雾霾数据，通过接口能方便地与计算机和单片机建立通讯。本传感器可嵌入各种与空气中悬浮颗粒物浓度相关的仪器仪表或环境改善设备，为其提供及时准确的浓度数据。该模块应用原理的功能实现则如图2所示。

2.3 GPRS模块

GPRS技术的特点是数据传输速度快，数据传送过程安全可靠，时间响应性能良好，能实时地传输雾霾检测的数据。对于大区域、大范围、点分散的数据传送，难以联成数据传输网络，采用GPRS技术是一种理想通讯方法，认证后将全程连线工作，按流量计费，而雾霾数据的字节量少，间断式发送，这样就大大降低运行成本。GPRS把各个分散的数据传送到一点上，用一套终端设备就能收集所有的数据，降低了设备和人力成本，方便维护。

选用SIM900A模块来设计定义GPRS功能，可有效保障雾霾传感器采集的数据成功获得远距离传输，SIM900A是一款紧凑型、高可靠性的GPRS无线模块，采用SMT封装的双频GSM/GPRS模块解决方案，而且协同配置了功能强大的处理器ARM9216EJ-S内核，能满足低成本、紧凑尺寸的开发要求。这也正符合了本文设计的价格低廉但小巧实用的特性要求。在此，进一步给出GPRS SIM900的原理结构解析即如图3所示。

3 GPRS与雾霾数据的分析

用GPRS通讯方式传送雾霾数据，跨越了地域范围，显著优势特点即是扩大了检测区间，大幅增加检测密度，可以对全国的雾霾状况格局给出细致梳理与完整展现，便于研究雾霾的形成、运动方向、污染范围、发展趋势，并为其提供有效的数据支持。通过GPRS获得的数据具有强大的实时性，而且从时间段和区域范围方面可获得充足数据量，不需要自行组建传输网络，大幅降低成本。通过GPRS通讯，把大量数据传送到服务器上保存，使全国范围的雾霾数据汇总集结在一起，把历史的数据规范统一并整合在服务器上，形成大数据，为后期处理建立了良好信息基础，进而用来参与构成雾霾监测分析系统。可以看出，应用GPRS技术来传送雾霾检测数据，把采集数据指定存储作为大数据，以此为共享支撑数据源来设计研发空气污染物扩散模型，同时又融入人工智能、专家系统来升级探讨雾霾状况，对分析雾霾的形成、变化趋势、预报、治理等发挥着切实重要的关键作用。主要功能内容可阐释如下：

1）采集全国各地或区域的AQI数据，通过GPRS传送至一调控服务器，为雾霾分布状况配置基础必要数据，以此来分析雾霾的发展趋势、变化轨迹和影响程度，为预报和决策提供依据。

2）经过一段时间的存储记录，形成了检测大数据，能对全国、某城市和区域分别以时间、地区为横轴将雾霾数据变化展开对比研究，用以显示剖析治理前后的变化效果如何，进而探寻发现产生原因。

3）关于采集的大量数据，可以灵活选择诸如多个区域的雾霾数据列表、雾霾浓度柱状图、趋势曲线等各种定制方式进行效果需求偏好展现。

3 结束语

近年来，空气雾霾现象的出现使得环境治理日益成为社会焦点话题。环境问题成为人类健康的困扰性威胁，在一定程度上影响了人们的日常出行和生产生活。国家也积极采取措施，管控雾霾的发展，首要课题即需解决对雾霾的实效检测，小范围雾霾检测显然并非良策，必须要在全国范围来实时检测雾霾数据，才能优化治理和预报雾霾。本研究即应用GPRS通讯技术，设计提出全国范围实时雾霾数据的采集系统，通过数据连贯性的可行性操作分析，对雾霾的迁移规律掌控、准确预报、治理和建立大型雾霾数据库提供必要实施条件。并且，随着雾霾大数据库分析水平的不断改进、数据的精确采集，空气质量的综合治理方案必将日趋科学、完備。

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