构建基于工业物联网的空气质量监测系统

□ 文 李旭

构建基于工业物联网的空气质量监测系统

□ 文 李旭

1. 引言

随着雾霾天气的频繁出现，空气质量越来越受到人们重视。但人们关注并监测室外空气质量的同时，对室内的环境空气质量却缺乏足够的关注与重视。据统计，全球近一半的人处于室内空气污染中，室内环境问题对我们来讲，就显得尤为主要。

除了对人体健康的危害，一些例如制药工厂和汽车喷涂车间的工业环境，在工作时对空气里的粉尘颗粒数量有极为严格的要求，超过一定数量就会影响工艺运转和最终的产品品质。这些行业的现状往往是在生产过程中定时的用空气微小颗粒计数器来检测粉尘颗粒数量。

基于工业物联网的空气质量监测系统采用新型激光检测原理的粉尘传感器、温湿度传感器以及TVOC等空气质量检测传感器作为信息采集终端；采用工业物联网技术ZigBee协议来进行通信组网；采用云服务器来搭建监控中心；采用大屏幕、PC、智能手机等多种方式来作为显示终端；整体构架起了一个运行稳定、响应快速、数据准确的新型空气质量监测系统，可以对任何场景的室内环境进行实时在线的空气质量监测，既可以为人们的身体健康保驾护航，也可以为企业生产的质量控制提供有效依据。

2. 监测系统总体结构

监控系统主要有终端传感器感知节点、ZigBee无线传输网络、监控中心、显示终端四大部分组成，可分为感知层、网络层、汇聚层、应用层四个层次。如图1所示。

图1 监控系统总体结构

终端感知节点是以PM2.5传感器为核心，兼容温湿度、TVOC、甲醛、二氧化碳等传感器的新型空气质量检测终端，可大量安装在各种室内环境内，负责测量空气中的粉尘颗粒及有害物质的含量，判断空气质量。ZigBee无线传输网络包括无线传输模块和ZigBee网关，通过自组织的方式构成网络，负责把终端节点的数据传输给监控中心。监控中心接收所有终端节点的实时动态数据，并及时记录；建立监测系统数据库，根据历史记录数据和分析结果预测、预报室内区域环境污染状况及发展趋势，为有效控制室内环境状况提供科学依据。显示终端从监控中心调取所需数据，提供给观察者进行查看，从而实时了解自己的环境空气质量信息。

图2 感知节点结构框图

图3 激光检测粉尘颗粒原理图

3. 硬件设计

终端感知节点由各类传感器、ZigBee无线传输模块、电源模块、微处理器控制模块组成。不同功能模块采用模块化设计，这样可以实现各模块的并行设计、调试，缩短开发周期，同时也便于后期更换和扩展传感器，从而方便后期维护和更新换代。感知节点硬件结构如图2所示。

3.1 PM2.5检测模块

PM2.5检测模块采用激光散射原理为基础，由专用的激光模块产生一束特定的激光，当颗粒物经过时，其信号会被超高灵敏的数字电路模块检测到，通过对信号数据进行智能识别分析得到颗粒计数和颗粒大小，进而通过粒子浓度转换方法得出悬浮颗粒物的浓度。激光检测原理如图3所示。

PM2.5传感模块设计为一个通用性、小型化模组，根据空气流动学原理设计气路系统，采用高性能激光器与感光部件，内置风扇，集成度高，有良好的准确性、稳定性，最小分辨颗粒直径 0.3微米。

3.2 TVOC检测模块

TVOC可挥发性气体检测模块采用微机械技术的金属氧化物半导体（MOS）工艺，设计为一个小巧耐用、结构紧凑的小型化模组，可测量VOC气体浓度，并转化为CO2当量，并可输出TVOC值。

3.3 温湿度检测模块

温湿度检测模块采用专用的温湿度采集技术，确保模块具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性，模块包括一个电容式感湿元件和一个高精度集成测温元件，并与一个高性能微处理器相连接。模块使用己校准数字信号输出技术，响应快速，抗干扰能力极强。

图4 ZigBee组网结构图

3.4 甲醛检测模块

甲醛检测模块设计为一个通用型、小型化模组，利用电化学原理对空气中存在的CH2O 进行探测，将成熟的电化学检测技术与精良的电路设计紧密结合，具有良好的选择性、稳定性。模块可根据温度变化进行补偿，具有数字输出与模拟电压输出。

3.5 ZigBee无线传输模块

ZigBee无线传输模块是本系统一个重要基石，加载ZigBee模块的检测终端才能成为一个个的物联网终端信息节点。ZigBee是现今工业物联网中的核心技术，是一种短距离、低功耗的无线通信技术，具有非常灵活的强大自组网能力，很适合用于多点监测的应用。

ZigBee无线传输模块由射频通信模块、微处理模块（MCU）、ZigBee无线通信协议构成，本模块使用433MHz频率进行组网，大大提高了穿透力及传输距离。通过预先配置后，每个节点的ZigBee可以承担终端节点、路由节点及协调节点，每个节点可以自由组网。

Z i g B e e无线传输模块数据传输速率在10KB/s～250KB/s，搜索设备时延为 30ms，休眠激活时延为 15ms，活动设备信道接入时延为15ms。ZigBee网络可容纳65000个节点，组网能力强大，自愈能力强，通信可靠。提供数据完整性检查和健全功能，采用 AES-128 加密算法。

4. 监控中心及软件设计

监控中心由路由器、防火墙、服务器、监测系统管理程序及数据库等软硬件组成。其主要任务是监控管理各个检测终端节点，定时收集各检测终端节点的检测数据和状态信息，存入数据库并进行处理，提供各种报表和曲线图，实现报警功能，实时为管理人员提供汇总数据和分析。

图5 系统流程框图

图6 PM2.5监测数据曲线图

系统工作流程如图5所示。

监控中心汇总所有检测节点的数据，并可设置用户观察页面，以供观察者使用智能手机、PC或大屏幕进行查看，实时了解其所关心的环境空气质量。

5. 实验

实验将监控系统安装在某公司办公室内，为了更好地采集数据，在此公司内一共安装了10个终端监测节点，对空气质量进行24小时在线监测，监测数据如图6所示。

P M 2.5的监测数据来源于终端监测节点中的新型激光PM2.5监测模块，测量范围可达（0～9 9 9 p p m）；颗粒物粒径识别范围（0.3～10um）；相对误差（0～100ug/m3：±10；100～500ug/m3：±10%）；响应时间为1～10秒动态响应。看曲线图分析，当10根不同颜色曲线差不多在同一高度位置时，说明10间办公室空气质量基本一致，如统一偏高则是碰到雾霾天气。通过对办公室空气质量的实时监测，可以对室内办公环境有直观了解，并可进而关联新风或空气净化系统，对空气质量进行净化改进。

6. 结语

基于工业物联网ZigBee技术的空气质量监控系统运行稳定、传输可靠、响应快速，可以很好地适应各种不同室内环境的空气质量在线监测，为使用者提供所需的各类空气质量数据。本系统采用新型激光PM2.5传感器为主的各种监测模块，均设计为通用化模组，为不同检测需求提供了良好的扩展性；并且采用ZigBee无线传输技术作为组网方式，组网灵活，传输稳定，抗干扰能力强，能适应各种复杂环境，这些都为本系统的应用提供了扎实基础。■

（本文为上海市软件和集成电路产业发展专项资金资助课题，批准号：沪经信信【2015】509号，150603。作者单位：上海光维通信技术股份有限公司）