智慧校园分布式数据采集系统研究

徐华宇

摘 要：为了实现远程监测空气质量，实时监测空气中含有的微颗粒物PM2.5和PM10含量，本文利用C/S框架结构设计了智慧校园分布式数据采集系统。该系统的主要核心为空气质量监测站和监测中心;空气质量监测站作为客户端利用嵌入式处理器LPC2129作为控制核心，利用传感器SDS011对空气中悬浮颗粒PM2.5和PM10的浓度数据进行采集，并将采集好的数据通过GPRS模块SIM900A建立与监测中心服务器是TCP/IP网络连接，进行数据的实时上传。服务器对接收到的数据进行处理，统计分析和显示储存，并生成时、日、月、年的报表。同时还设立了对外API接口，支持智能手机APP的开发，实现数据的共享，为市民制定出行计划提供方便。

关键词：远程集中监测;无线通信;空气质量;智慧校园

中图分类号：TQ015        文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）09-0102-04

Research on Distributed Data Acquisition System of Smart Campus

Xu Huayu

（Shaanxi Institute of Technology， Xi an 710300， China）

Abstract：In order to realize remote monitoring of air quality and real-time monitoring of PM2.5 and PM10 content of micro-particulate matter in the air， a distributed data acquisition system for smart campus is designed based on C/S framework. The main core of the system is the air quality monitoring station and monitoring center; the air quality monitoring station as the client， using the embedded processor LPC2129 as the control core， using the sensor SDS011 to collect the concentration data of PM2.5 and PM10 in the air， and the collected data is connected to the monitoring center server TCP/IP network through the GPRS module SIM900A to upload the data in real time. The server processes the received data， performs statistical analysis， displays and stores， and generates hour， day， month， and year reports. At the same time， an external API interface is set up to support the development of smart phone APP， realize data sharing， and provide convenience for citizens to make travel plans.

Key words：remote centralized monitoring; wireless communication; air quality; smart campus

现代工业对资源的利用给人们的生活带来了便利。但工业发展的同时，废气的排放造成了严重的空气污染，有些城市甚至出现了雾霾天气的现象，对人们的身体健康产生了极大的影响。为了增强对排污企业的管理，更好的监控城市悬浮颗粒物浓度，给政府环境监测部门提供数据支持。本文利用无线通信技术设计了智慧校园分布式数据采集系统。本系统特点在于，利用智慧校园的模型，通过部署在城市各个角落的空气质量监测站对细颗粒浓度数据收集并记录，完成对空气质量的监测。同时给环境监测部门提供数据接口，完成实时数据更新及资源共享。并能实时发布空气质量变化情况，给居民出行提供便利。

1 系统整体结构设计

形成雾霾天气的主要原因是空气中PM2.5和PM10的细颗粒物质含量过多，中国环境环保部也针对每立方空气中细颗粒物质的含量定义了相应的等级。故本系统主要针对空气中PM2.5及PM10含量做出研究。该系统的主要结构是空气质量监测站和监测中心。通过城市规划，将空气质量监测站设立在城市需要进行空气质量监测的角落。采用C/S架构模型与监测中心的服务器连接，完成数据实时更新。系统总体结构构建如图1所示。

1.1 空气质量监测站数据传输过程

数据传输过程是将设立的空气质量监测站作为客户端，利用里面的无线模块访问GRPS网络，再接入公网，通过访问监测中心的服务器TCP/IP网络与之建立连接，从而实现数据的实时上传。服务器接收到上传数据以后，对数据进行一定的处理，使之实时显示在监视器中，并且将处理好的数据存入数据库SQL2008中。同时，为了保障数据传输和系统的安全性，在设计的时候增加了防火墙进行物理隔离，避免服务器受到恶意入侵造成数据丢失。

1.2 空气质量数据共享过程

在监测中心的服务器中设立了对外接口API，环境监测部门的服务器可以通过与接口的连接实现数据的共享，起到一定的监测作用。并根据数据判断空气污染情况，针对性的采取相应措施，达到净化空气的作用。同时这个接口還支持智能手机的APP开发，居民能够通过智能手机下载的APP实时获得所在地的空气质量信息，从而合理安排出行计划。

2 空气质量监测站硬件设施

空气质量监测站硬件条件直接决定了数据的准确度，为了达到最好的效果，本系统采用的硬件设施有嵌入式控制器LPC2129、细颗粒传感器SDS011、调理电路、GRPS无线通信模块SIM900A、固态存储器、电源管理电源、LED显示屏、键盘及指示灯。具体结构如图2所示。

从图2即可看出，空气质量监测系统采用的是太阳能发电装置，将太阳能转化为电能。另外该系统还设置了蓄电池，除去设备所需电量之外，还能将多余的电能储存起来，避免资源的浪费。在节点中还设立了电量监测模块，当电量低于设置值，会发出报警信号，有效预防因为电量不足导致的数据流失。另外，为了保证数据的连续性，该系统还配有存储器设计。如果在数据上传时出现网络中断问题，数据会临时保存在本地储存器中，待网络恢复后自动上传，避免因为断网造成数据流失。

2.1 细颗粒传感器SDS011

细颗粒传感器SDS011是空气质量监测系统的核心，主要由测量腔体、激光源、受光元件、滤波放大及微控制器组成。利用激光散射原理，通过激光照射到检测位置的颗粒物产生的光散射波形判断颗粒物直径，再根据不同波形的分类统计进行一定的换算，就能得到不同粒径的颗粒物在该时段的实时浓度。

细颗粒传感器SDS011基本介绍;细颗粒传感器SDS011能够分辨的最小的颗粒直径：0.3μm;量程：0～999.9μg/m3;供电电压：5V;最大工作电流：100mA;休眠电流：2mA;场景变换时间小于10s;相对误差小于10%;具有精度高，稳定性和一致性较好的特点。能够准确测量PM2.5及PM10的浓度。具体结构如图3所示。

为了减小系统功率的消耗，提前设置一小时的采集周期。通过细颗粒传感器SDS01与嵌入式控制器LPC2129的串口连接，将感应到的PM2.5及PM10浓度数据进行周期性输出。在数据采集完成以后，传感器自动进入休眠状态，达到减小系统功率小消耗的作用。

2.2 GRPS无线通信模块SIM900A

GRPS无线通信模块SIM900A是与监控中心服务器连接的重要部分，处理器为ARM9216EJ-S;工作频率为GMS/GPRS 850/900/1800/1900Hz。里面还设有TCP/IP协议栈，多IP接入也没有问题。降低语音、短消息、数据和传真信息传输的功耗。接口采用工业全功能UART标准，能够直接与控制器LPC2129连接，利用AT指令实现数据的实时收发。

为了确保数据的成功发送，在发送数据之前需要先与监控中心服务器的TCP/IP建立连接，具体方式是向SIM900A的串口发送指令“AT+CIPSTART”，接收到返回消息“CONNECT”则表示连接成功，即可进行数据的传送，待数据传输完毕后，需要发送指令“AT+CIPCLOSE”断开连接，接收到返回消息“CLOSE OK”就表示已成功断开连接。

3 系统软件设计

3.1 空气监测站软件设计

空气监测站启动以后，需要先进行系统初始化动作。再通过上文介绍的与服务器建立连接的方式收发指令，与服务器成功建立连接以后，读取传感器SDS011串口输出的数据，即可得到PM2.5和PM10的浓度值。完成操作以后测量蓄电池所剩电量，并将采集时间、监测站编号和采集到的数据等信息打包上传到监控中心的服务器。同时将有效信息展示在本地LED屏上，即操作完成，进入休眠状态。待到设置好的n个小时以后，开始下一次循环。流程图如图4所示。

3.2 服务器管理软件结构

服务器管理软件主要结构分为功能子系统、数据库管理、系统模块和输出模块，是利用VC++6.0作为开发工具编写。具有公网IP和端口号，且有专业光纤接入网络，并且通过硬件防火墙对接入的IP进行物理地址过滤。

空气质量监测站传送到服务器的数据包需要先经过GPRS网络进入到固定IP地址的硬件防火墙内。防火墙对接收的数据包通过端口映射功能转发到服务器，完成与空气质量监测网站TCP/IP网络连接过程。在成功建立连接以后，将收集到的PM2.5和PM10的浓度数据进行预处理、校验、分析和分类等处理。同时计算出每小时、每日、每月、每年的平均值，并将计算出来的数据显示在监视器上，同时将数据上传到数据库SQL 2008中。服务器管理软件结构设计如图5所示。

4 测验结果与分析

根据空气中含有的细颗粒物PM2.5及PM10的含量不同（24h均值），中国环境环保部门也划分出不用的空气污染等级，如表1所示。

为了验证该系统的实用性，本文选用现场测试实验的方式进行验证。首先在选定区域的东南西北中各设置一个环境检测站，将他们编号#1～#5，设置4h的采集周期。对24h内收集的PM2.5和PM10浓度数据进行监测统计，结果如表2、表3所示。

从上面两个表中的数据我们能够得知， 在24h内，监测区域PM2.5与PM10的均值分别为80.7μg/m3、147μg/m3。通过与表1对比可知，该区域的空气质量为轻度污染。

通过该实验可得知，本文设计的系统能够准确采集PM2.5和PM10的浓度数据，并对数据进行处理，使之能够稳定传输且实时显示，工作性能较为稳定，能够给中国环境监测部门提供数据支持。并且该系统还能将监测到的数据进行储存，便于执法部门的取证，实用性较高。

5 结语

文章设计的分布式空气质量远程集中监测管理系统采用了GPRS无线通信技术将细颗粒传感器SDS传感器采集到的PM2.5和PM10浓度数据进行实时上传，共享到监测中心服务器上。监控中心的服务器对接收到的数据进行统计分析，显示及数据库管理。并且，监控中心的服务器还提供了对外API接口，支持智能手机APP的开发，不仅方便了执法部门的调查取证，还便于居民实时掌握空气质量情况，合理安排出行计划。并通过实验验证，证实了该系统的稳定性和实用性，能够实现远程对某些区域空气中PM2.5颗粒和PM10颗粒浓度集中监控，加强对排污企业的有效管理。

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