基于LoRa的PM2.5在线监测系统研究*
2021-08-03闫卓宜赵晓庆刘世兵
闫卓宜，赵晓庆，刘世兵，刘 波
（山东工商学院 信息与电子工程学院，山东 烟台264005）
随着我国经济的飞速发展，国家政府对环境污染问题越来越重视，虽然目前的环境问题有所改善，但是空气中的PM2.5依旧超标。虽然各地区陆续安装了监测站，但是由于大型监测站造价成本高、监测数量有限和设备部署不灵活，导致其传输信息存在实时性差、效率低等缺点[1]。采用当前研究的广域物联网技术，实现PM2.5颗粒物的大气污染物实时监测系统，是一种有效的解决方案。
1 系统概述
针对监测设备工作环境、检修困难且不易实时上传监测数据等问题，选用LoRa和GPRS技术相结合的方式将采集到的气体浓度数据上传到云平台。把LoRa和GPRS技术应用到监测气体中，无需人为监测，可以在客户端上查看监控区域内的PM2.5浓度信息。本系统利用LoRa无线通信技术实现气体数据的无线传输，利用GPRS实现数据统一上传服务器的功能，实现对监测区域的实时监控。
基于LoRa的在线监测系统主要由监测节点、监测中心节点、气体传感器、LoRa模块、GPRS模块、电源模块组成。监测节点负责数据处理、数据显示等功能；监测中心节点主要负责接收各节点数据并进行数据处理；气体传感器用于监测区域范围内的气体浓度；LoRa模块实现采集数据的远程传输功能；GPRS模块实时将气体浓度数据上传到云平台；电源模块为整个系统提供充足的电能。本设计是将监测的气体浓度数据实时上传到云平台，用户通过访问云平台获取气体浓度信息。PM2.5监测系统结构设计图如图1所示。
图1 监测系统结构设计图
2 硬件系统设计
本设计采用32位处理器TM32F407ZGT6作为主控芯片，将气体传感器采集到的数据在显示屏上显示的同时，通过LoRa模块无线传输到LoRa网关处，LoRa网关通过GPRS模块将气体浓度值上传到云平台。其系统硬件结构图如图2所示。
图2 系统硬件结构图
2.1 传感器模块
灰尘传感器PM2.5传感器是由国产公司夏普电子生产的一款光学空气质量传感器。该装置中，设有一个红外发光二极管和光电晶体管，对角布置成允许其检测到在空气中的灰尘反射光。传感器中心有个洞可以让空气自由流过，定向发射LED光[2-3]，通过检测经过空气中灰尘折射过后的光线来判断灰尘的含量。其向外输出的是模拟电压值，且输出的电压值正比于所测得的粉尘浓度。
灰尘传感器体积轻巧且检测精度相对较好，所消耗的电流量低，与单片机的连接简单，只需要一个串口连接单片机即可进行信息的传输，使得硬件设计得到极大简化。传感器模块与微控制器USART2接口进行通信，连接方式如图3所示。
图3 灰尘传感器电路
2.2 LoRa模块
LoRa网络架构是典型的星型拓扑结构，其中LoRa网关是透明传输的中继[4]，连接后端中央服务器和终端设备。终端设备是单跳于一个或多个网关通信，而网关与节点间均是双向通信[5]。LoRa的终端节点就是多合一环境传感器，这些节点通过无线通信与网关连接，再通过3G网络或者以太网络连接到网络服务器中[6]。在具体实现上，选取一款高性能LoRa通信模块，集成在多合一环境传感器中，实现多种环境信息的集中传输。LoRa模块与微控制器（MCU）之间通过串口进行通信，将采集的PM2.5浓度数据通过LoRa模块传送到中心节点，实现数据的无线传输。本系统中LoRa模块与微控制器USART1接口进行数据通信，连接方式如图4所示。
图4 LoRa电路图
2.3 GPRS模块
GPRS模块在网络透传模式下，用户的串口设备可以通过本模块发送数据到网络上指定的云平台。模块也可以接受来自云平台的数据，并将信息转发至串口设备。用户不需要关注串口数据与网络数据包之间的数据转换过程，只需通过简单的参数设置，即可实现串口设备与网络服务器之间的数据互传。在系统运行过程中，GPRS模块与微控制器通过串口进行数据传输，通过无线透传的方式上传至云平台中，GPRS模块与微控制器的连接方式如图5所示。
图5 GPRS电路图
3 软件系统设计
本设计采用C语言进行模块化程序设计。主要包括时钟初始化、串口初始化、LCD液晶屏初始化、数据处理、数据显示、数据传输等。在信号采集方面采用连续采集方式；数据处理主要包括数据帧的组成[7]，数据帧的解析；数据传输主要是将数据传给LoRa模块处理，然后将数据发送到LoRa网关并通过GPRS模块上传至云平台，实现数据远程传输；液晶显示主要实现的功能是将采集到的PM2.5的浓度值在LCD液晶屏上实时显示。监测设备的软件运行流程图如图6所示。
图6 监测设备软件运行流程图
4 实验测试
将监测装置放置在校园内进行监测，本系统进行了一个星期的实时监测测试，选取了其中一天的数据进行记录，从9时到15时每隔一个小时记录下监测的气体浓度，进行7次的记录，记录数据如表1所示。并根据记录下的气体数据绘制了气体浓度趋势图如图7所示。
图7 PM2.5气体浓度趋势图
表1 监测PM2.5的浓度数据
在对本系统进行测试中，可登录云平台实时监测气体浓度同时还能够显示设备是否在线，满足实时监测PM2.5浓度的需求。在测试过程中设备运行状态稳定，上传数据的速度也非常快，可以满足实时性的需求。
5 结束语
本文主要研究和设计了一种基于LoRa的PM2.5在线监测系统，设计了该系统的硬件和软件设计流程。该系统由气体数据采集发送和数据接收传输装置组成，气体数据采集发送装置主要采集各个区域内的PM2.5气体浓度并把数据发送给监测中心节点，监测中心节点把接收到的气体浓度数据上传到云平台进行气体浓度的实时监测，本系统后续还可以继续改进和优化，提高空气质量监测系统的稳定性和精确性，还可以设计手机APP，实现在手机页面上监测气体浓度信息。
