基于无线传感器网的室内可吸入颗粒物监测系统研究

宋述林

摘 要：随着社会经济的发展加快，我国的工业制造、建筑业规模也不断扩大，这些经济活动都对大气环境造成了一定的污染。空气中可吸入颗粒物以及粉尘都吸附着大量的有毒物质，当浓度过高时，不仅会造成能见度较低的雾霾天气，还会对人类的身体健康产生威胁。针对这种情况，人们对大气中的可吸入颗粒物开始进行监测活动，以保证人们的正常生活。文章通过对可吸入颗粒物以及无线传感器网络技术的研究，对无线传感器在可吸入顆粒物监测应用中做出了一定的归纳与总结。

关键词：无线传感器；室内；可吸入颗粒物；监测

中图分类号：TP212.9 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）14-0075-02

Abstract： With the rapid development of social economy， the scale of industrial manufacturing and construction industry in China is also expanding， these economic activities can cause certain pollution to the atmospheric environment. Inhalable particles and dust in the air are adsorbed a large number of toxic substances， when the concentration is too high， will not only cause low visibility of haze weather， but also pose a threat to human health. In response to this situation， people began to monitor the inhalable particulates in the atmosphere in order to ensure the normal life of people. In this paper， through the research of inhalable particulate matter and wireless sensor network technology， the application of wireless sensor in the monitoring of inhalable particulates is summarized and summarized.

Keywords： wireless sensor； indoor； inhalable particulate matter； monitoring

1 对无线传感器网络技术的认识

无线传感器网络技术是在社会发展中产生的一种高科技的新兴技术，它集合了无线通信系统、微机电系统以及传感系统等多种高科技技能系统，无线传感器网络在工作时，通过传感系统对所需的数据进行采集并传播到所有系统的汇聚节点，随后通过网络、卫星等把所有数据传送到相应的监测站。

（1）无线传感器网络技术的介绍。无线传感器网络技术是一项集多种技术为一体的综合性技术，它包含了现代网络技术、先进的传感器技术以及计算机科学技术。无线传感器是通过网络科技来进行无线传输工作的，它主要包含了三个中心要素，即所要感知的目标、传感器和相应的监测中心。一般情况下，在一个正常规范的无线传感器中都会有一个甚至多个负责数据收集、存储、传播等作用的传感器节点，传感器节点的工作系统包括传感器、通信器、处理器和能量供应器四个工作模块[1]。作为传感器节点的主要核心，处理器的工作主要是对各个工作模块进行有效的操作以确保网络传播工作的正常运行，能量供应器是传播感应器工作的基础，它为传播节点所带有的电量进行节能工作，保证电量不会过于消耗。汇聚节点的工作一般分为两个部分，一是负责将传感器收集的信息全部集中在一起，其次要进行信息与外部网络的交换作业，完成收集资料的对外传播工作，进而保证监管系统的工作正常运行。（2）无线传感器网络技术的特点。无线传感器网络技术是社会进步的产物，随着社会对高科技的不断研发和网络科技的飞快发展，无线传感器被广泛的应用到我们生活和工作中。无线传感器具有一定的优势和长处，首先，无线传感器节省了大部分的人力工作，它能够通过特殊功能进行结网工作并保持有效正常的运行。其次，无线传感器的网络工作密度高、范围广，一个网络中的节点可达到相当繁多的数量，这些大量的节点被分布到同一片监测场地，进而使密度被增大，同时网络节点的分布范围也相当广泛，这为数据的收据提供了巨大作用[2]。再次，无线传感网络节点的硬件设施十分强大，具有充分的牢固性，其软件设施也采用节能的功效，确保了无线传感器在恶劣的环境中能维持正常的工作。

2 对可吸入颗粒物的研究

在经济快速发展的社会背景下，工业制造也不断扩大发展规模，煤矿、石油等化学燃料被大量开采和使用，在这个过程中，大量的有毒性气体及有毒颗粒被排放到我们生存的环境中，使我们赖以生存的环境空气被污染。可吸入颗粒物具有非常大的危害性，不但能通过人们呼吸进入到身体中，对人的身体健康造成威胁，还会造成雾霾天气，影响人的出行和生活。

（1）可吸入颗粒物的来源和危害。对空气造成污染的颗粒污染物是指在空气中运行的颗粒状态的、大小不一的固体形态的污染物，颗粒污染物分为多种，包括粉尘、雾以及气泡、滴液等。一般情况下，我们把颗粒物分为悬浮颗粒物和可吸入颗粒物，这些颗粒物的来源广泛，在我们的日常生活中，汽车交通工具的使用、燃烧煤炭与石油、工程建筑工地、水泥石灰厂等活动的展开都会产生大量的颗粒污染物[2]。我们日常经常提到的PM10及为可吸入颗粒物，这些可吸入颗粒物中，一部分较大的颗粒在人们呼吸的过程中被阻拦在了口腔和鼻腔中，较细、较小颗粒则会通过人类的呼吸进入到人体的咽喉、气管等重要部位，对人类的身体造成危害。其中，PM2.5危害巨大，被称为可入肺颗粒物，这些污染颗粒物在人类呼吸后进入人类的口腔，并通过呼吸道进入人类的肺泡中，甚至有些污染颗粒进入肺部后完全沉积，并通过肺部传播到其他的循环系统中，不仅会引发各种呼吸系统和肺部器官的疾病，甚至会导致严重的心脑血管疾病。因此，可吸入颗粒物对人体的健康具有极大的威胁性和危害性。（2）大气中可吸入颗粒物的测量办法。在目前的社会生活中，对大气中可吸入颗粒物的检测办法主要分为两种，即手动检测法和自动检测法。手动测量法又分为称重测量和筛分测量，这两种方式主要是通过人力来对所收集的颗粒物进行过滤工作、烘干工作，随后进行称重和计算来得到大气中颗粒物的浓度，手动检测的每个环节都需要支配人力进行，工作效率低下且测量结果数据缺乏准确性。自动检测法包含β射线检测法、微量振荡天平检测法、光散射检测法。在β射线检测法中，我们只需要对射线衰弱量的大小进行测量，就可以计算出所收集颗粒物的浓度。在振荡天平测量法中，我们只需要对锥形管在工作中产生的振荡频率进行测量，再掌握空气流速以及温湿度等外部因素，就能得出该时间内颗粒物的浓度。光散射法是通过实验颗粒物对光散射的作用来进行颗粒物的浓度测量的，它通过一定的工作运转程序，运用粉尘浓度和电压之间的联系，经过换算就可以得出颗粒物的浓度。自动检测法的自动化强度较高，节省了一定的人力和工序，提高了工作效率，但也有一定的缺陷，如β射线测量会对人体皮肤造成危害，震荡天平测量中所含的易挥发物质，使测量结果偏低等。

3 可吸入颗粒物监测系统中无线传感器的设计与应用

通过对可吸入颗粒物的研究以及对无线传感器的思考，完成无线传感网络技术对大气中可吸入颗粒物的监测系统建设，对所要监测的区域进行收集节点的安置，通过各个节点自主组网，完成对可吸入颗粒物的监测工作。在监测系统的构建过程中，要从无线传感器的实际工作为出发点，完成可吸入颗粒物无线传感网络的模块设计和中心节点设计，进而完成整个监测系统的建设，保证大气环境中的可吸入颗粒物在监管下能降低其浓度，使人们的生产活动和生存环境得到保障。

（1）无线传感器网络系统的整体设计。在对可吸入颗粒物监管系统的整体设计中，无线传感的监测工作主要由三部分构成，分别为传感器节点、中心节点的基站以及管理监控中心。其中，传感器节点的主要工作是对大气环境中的数据进行收集，节点基站作为组网的中央节点，需要将各个传感器节点收集的数据进行统一集中工作，管理监控中心在对基站传播过来的资料数据进行收集整理后，还要完成交互工作。传感器节点的组成中，主要包括数据采集系统、无线通讯系统和节能系统，采集系统要将收集到的大气颗粒物、湿润程度等信息通过无线通讯系统进行整理后传达到中心节点的基站。节点基站要有同功能的无线通讯系统以及连接转换器，在收到传感器节点发送到达的大气数据后，运用有线的传播方式经过转换器传送到管理监控中心。管理监控中心要有一定的硬件设施，如监控器以及监控电脑，通过硬件设施来对接收的大气数据进行整理、分析、处理工作，进而实现对大气可吸入颗粒物的监测工作。（2）可吸入颗粒物无线传感网络的模块设计。无线传感网络技术的模块设计，根据模块采集信息主要为大气环境可吸入颗粒物的要求，通讯传播模块主要分为微数据处理和数据传输RF模块建设，其设计方案的功能性主要包括多项。其一，設计节点要保证足够的电量和能量进行长时间的工作。其二，进行数据采集工作的模块和进行数据传播的通讯模块在物力应用中是分离工作的，因此设计的监测模块要保证后续进行采集工作的模块具有扩展性、变更性。其三，在保证数据能够进行有效传播通讯的基础上，每个无线传感器的节点距离要尽量增大。综合以上设计方案的要求，为了使各个节点功能得到充分发挥，在对传感器节点的模块进行选型时，一定要对功能质量进行把关，通过对微数据处理模块以及数据传输RF模块建设报以严肃认真的态度，使无线传感器发挥最大的功效，使方案设计充分满足对大气可吸入颗粒物的监测工作。（3）可吸入颗粒物无线传感网络的中心节点设计。在可吸入颗粒物无线传感网络的监测系统中，最为核心和主要的就是网络中心节点的建设工作，网络中心节点对整个监测系统的网络建立、发展、后期运行的各项信息进行必要的维护和管理工作。在无线传感器网络技术中，其中心节点一旦进行工作就会开始对周边的环境进行检测，并且会选择一个中心和适合的通讯路线，进行整个组网工作的开启，组网工作的顺利建成之后，其他的无组织节点就会在被中心节点接纳的情况下加入到这个组建的网络中来。可吸入颗粒物无线传感网络的中心节点需要一定的硬件设施，在处理器、供电节点器等硬件设施全部组建成功后，其工作的展开需要在中心节点通电后对芯片和通讯串口进行初始化，初始化完成、组网成功，协调器开始对网络参数进行配置，并将信息显现出来，中心节点开始进行无线监测工作。

参考文献：

[1]王国超.基于无线传感器网络的大气颗粒监测系统研究[D].大连理工大学，2014.

[2]高艳囡.基于ZigBee无线传感网络的可吸入颗粒物监测系统研究[D].天津理工大学，2017.

[3]程明月.基于无线传感器网络的空气质量监测系统的研究与设计[D].武汉科技大学，2015.

[4]王娇.基于无线传感器网络的粉尘浓度检测系统研究[D].西安工业大学，2015.

[5]赵海涛.无线传感器网络在环境监测系统中的主要应用[J].黑龙江科技信息，2015（26）：15.

[6]陈志超.基于TinyOS无线传感器网络的室内环境监测系统研究[D].南京航空航天大学，2014.

[7]朱军，向腾辉，张小美，等.基于ZigBee技术的大气PM2.5监测系统设计[J].测控技术，2013，32（11）：10-13.