基于“互联网+”的局域空气质量监测系统

2018-11-12刘树博皮晶星刘志锋曾庆宇航赖志林

东华理工大学学报(自然科学版) 2018年3期

刘树博，皮晶星，刘志锋，曾庆宇航，刘臣，赖志林

(1. 东华理工大学江西省新能源工艺及装备工程技术研究中心，江西南昌 330013；2. 东华理工大学机械与电子工程学院，江西南昌 330013；3. 东华理工大学信息工程学院，江西南昌 330013)

随着经济的发展和社会的进步，我国空气质量问题逐渐凸显，因此加强空气质量监测，提供准确可靠的数据，对现代化生活是十分必要的。目前，我国的空气监测点数量有限，提供的数据不能准确到特定区域，局部针对性较差(潘本锋等，2014)。因此，各气象局提供的数据，在给定区域范围内，只能作为参考。

针对以上情况，本文设计了基于“互联网+”的局域空气质量监测系统，能够监测空气中的PM2.5/PM10，温湿度等多种气体数据指标。该系统由底层采集设备、服务器和手机终端构成，利用GPRS技术实现了数据的发送，使用户能够通过手机，实时监控特定区域的空气质量。

1 监测系统的结构

1.1 监测系统总体结构

系统的总体结构如图1所示。该系统由底层采集设备，服务器及手机监测部分构成。底层采集部分由STM32嵌入式处理器、传感器电路、显示电路、电源电路和GSM模块构成。主控芯片采用的是STM32F103处理器，相比于传统的STC单片机，该处理器处理速度更快，性价比更高(杜春雷，2003；周立功，2003)。空气质量传感器采用DLS-03、DHT21传感器，以实现对PM2.5/PM10和空气温湿度的检测。在获取相应的空气质量数据后，底层采集部分通过GSM模块，利用GPRS通信将数据发送至服务器，用户可实时通过手机APP完成对数据的访问。

1.2 监测系统功能

该空气质量监测系统由底层采集设备、服务器和手机三大部分构成。其中，底层采集设备如图2所示，可以放置于局部区域的固定观测点，其数量和摆放位置，由实际需求确定。此外，底层采集设备还可以通过无人机搭载，对空气质量进行动态监测，以了解当前空气质量的动态分布情况。

图1 系统结构示意图Fig.1 Schematic diagram of system structure

图2 底层采集设备实物图Fig.2 Physical map of bottom collection equipment

2 底层采集设备设计

2.1 电源设计

为了满足系统静态和动态的监测需求，选取18650可充电锂电池作为能量源，在电量不足时，可外接电源适配器通过TP4056芯片完成充电。

2.2 温湿度检测电路设计

本项目采用DHT21(胡古月等，2013)数字温湿度传感器。该传感器是一款含有已校准数字信号输出的复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。DHT21与微处理器之间采用单总线数据格式，由微处理器STM32F103发送开机指令，一次通讯时间为5 ms左右。

2.3 PM2.5/10检测电路设计

本项目采用海伯伦激光粉尘传感器DLS-03传感器。该传感器采用光散射原理，激光在颗粒上产生的射光，由光电接收器件转为电信号，再通过特定算法计算出PM2.5/PM10的质量浓度。该传感器采用异步串行通信方式，以帧为单位进行通讯。

2.4 GSM模块电路设计

在微处理器STM32F103与传感器成功建立数据连接后，GSM模块(朱煜峰等，2012；程朋根等，2008)从STM32F103的P0口接收数据，并通过GPRS与服务器连接，每15 min进行一次数据传输(傅中君，2004；曹洁等，2010)。在实际使用过程中，在GSM模块外部加装金属屏蔽壳和延长天线的方法达到屏蔽电磁干扰。

2.5 显示电路设计

屏幕显示实物图如图3所示。本项目选取体积小巧、功耗较低的0.96寸OLED作为显示屏(陈海峰等，2015)。在系统正常工作后，完成当前采集的空气质量数据和GPRS工作状态的显示工作。

图3 OLED显示实物图Fig.3 Screen physical map of OLED

3 Web服务器和通信通道的搭建

Web服务器环境搭建包括Java环境搭建、MySQL数据库环境搭建以及Tomcat配置，在完成服务器环境搭建后，进行数据库设计。数据库主要存储传感器采集到的空气质量数据(PM2.5/PM10、温湿度)和底层采集设备的GPS数据(经纬度)，分别用表data和表equipment进行存储，并在后台做好备份。这样不仅能够防止数据被异常覆盖而丢失，而且能够方便后期的统计和分析。

4 数据终端

系统数据终端需采用基于Android4.0及以上版本的智能手机，目前暂不支持其他系统智能手机和PC端。用户可通过下载的手机APP随时随地的了解底层采集设备所在位置的空气质量情况，为生产生活做好必要的准备。

5 软件设计

5.1 软件流程图

该监测系统的主流程图如图4所示。底层采集设备上电开机，在对内部初始化完毕后，系统开始正常工作，并开启定时器中断。在中断到来时，STM32F103对传感器数据进行读取，并通过GPRS发送至服务器。

图4 监测系统主流程图Fig.4 Main flow chart of monitoring system

5.2 手机APP开发

利用Android开发平台，开发了手机APP(汪永松，2014；王丽芳等，2014)。在传感器数据显示的基础上，增加了用户所在地理位置的显示功能。此外，利用后台服务器的网络连接，同时可获取后两天的天气预报。通过校园APP内测，及时收集反馈意见，促进软件的完善和不断升级。手机APP界面如图5所示。

图5 手机APP界面图Fig.5 Cell phone APP interface diagram

6 系统的测试

购买现成的手机电话卡，在联通网络的GPRS环境下实现设备与服务器之间的数据通信。首先，采取固定地点监测模式，即选取学校东西南北四个大门作为采集点；其次，在相对宽阔的校园广场，采用无人机搭载的方式，进行动态数据监测。为了验证系统的有效性，邀请了16级自动化专业的同学安装了该系统的手机APP软件，并对校园的空气质量进行了实际监测，具体数据如表1所示。该系统成功实现了空气质量的采集、后台数据的分析和维护和移动终端的显示等功能，达到了预期的设计效果。