无线网络空气质量监测系统初探
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目前大部分空气监测系统存在不足：如系统庞大、成本高、安装困难、过度的依赖有线网络传输。目前有一种通过搜集一部分空气回去分析空气的成分，这种方法并不能实时的反应当地的空气状况，存在一定的误差。因此为了实时的监测特定地点特定时间的空气质量，对检测系统要求就势必提高。本系统结合传感器技术、无线通信技术和计算机技术，设计一种基于Zigbee和GPRS的无线网络监测系统。通过终端传感器采集大气中各成分的参数，通过ZigBee无线网络实时的传到远程监控中心和无线LED显示，实时的检测城市各个不同地方的空气状况，并安装GPS定位器，对于污染严重的地方能够实时的确定污染源，从而及时对于污染源做出一定的干预，减少对人体的健康的危害。
1系统的总体设计
系统主要由传感器采集模块、GPRS网络和监控中心三部分组成，系统的结构图如图1所示。根据城市不同地方，有针对性的设计检测指标和合理安放传感器。例如，在居民区，主要监测CO、粉尘、温度和湿度等，依据住宅建筑将传感器放置在楼顶等位置；在城市人口较密集车辆较多的市区，主要监测空气中的粉尘、CO、NO2、O3、风速、SO2、温度等，根据地形将传感器放置在路灯的灯柱、房顶、公交站的停车厅等地方，而且设置的传感器也较密集，这样监测准确；在一些化工厂，主要监测O3、CO、SO2、NO2、温度、湿度、粉尘含量等，安装传感器因地制宜，方便有效即可。传感器将监测到的数据通过ZigBee网络传送给网络协调器，经过协调器解析、存储和转发，经过GPRS模块传送给无线LED或者经过协议转化后通过Internt传送到远程监控中心，实现实时的高效的空气质量监测，GPS主要是定位具体的污染源位置。
2系统的硬件设计
2.1、ZigBee终端采集节点硬件设计
终端采集节点是以CC2530芯片为核心，连接传感器组件、电源和射频前端组成。CC2530是一款完全兼容8051内核，支持IEEE802.15.4协议的无线射频单片机，同时具有较好的抗干扰性和接收灵敏度，无线射频由8路的12位A/D控制模块实现。系统通过不同指标的传感器（CO\SO2\O3粉尘、温度等）将采集到信号经过调理电路后在经过A/D转化电路变成数字信号，然后通过微处理器的处理，在传送给CC2530芯片的ZigBee传感节点。
2.2、协调器模块设计
协调器是用来接收来自ZigBee无线网络的传感节点数据，并按照请求处理数据，同时将处理后的数据通过GPRS的协议处理接入Internt然后传给远程监控中心或者直接传给无线LED，此外还负责ZigBee节点搜索和组网工作。系统采集节点通过ZigBee无线传感模块和协调器通信，并通过协调器内置的微处理器处理和协议封装，最后传送到GPRS网络。该模块主要由CC2530和GPRS构成。CC2530芯片的ZigBee射频接收端用来接收天线的数据，然后经过A/D转换器变成数字信号。为便于数据转换和传输GPRS通信采用DTU模块，DTU模块主要包括CPU、无线通信和电源。内置TCP/IP协议栈，支持数据双向转换功能。采集的信号通过CPU处理和整合以后，将监测数据转化通过RS485接口送给DTU模块，DTU将接收到的数据封装成IP包，按照通信协议通过GPRS和Internet上传到监控中心。
2.3、协调器模块设计
协调器是用来接收来自ZigBee无线网络的传感节点数据，并按照请求处理数据，同时将处理后的数据通过GPRS的协议处理接入Internt然后传给远程监控中心或者直接传给无线LED，此外还负责ZigBee节点搜索和组网工作。系统采集节点通过ZigBee无线传感模块和协调器通信，并通过协调器内置的微处理器处理和协议封装，最后传送到GPRS网络。该模块主要由CC2530和GPRS构成。CC2530芯片的ZigBee射频接收端用来接收天线的数据，然后经过A/D转换器变成数字信号。为便于数据转换和传输GPRS通信采用DTU模块，DTU模块主要包括CPU、无线通信和电源。内置TCP/IP协议栈，支持数据双向转换功能。采集的信号通过CPU处理和整合以后，将监测数据转化通过RS485接口送给DTU模块，DTU将接收到的数据封装成IP包，按照通信协议通过GPRS和Internet上传到监控中心。
3系统的软件设计
3.1终端采集节点程序设计
终端节点上电以后，先对其硬件和协议栈初始化操作，然后检查电源电量。接下来就开始扫描附近有没有ZigBee网络，如果存在则连接协调器，如果不存在则就连接从节点，如果连接成功，则继续操作，如果没有，则回到节点中循环扫描。如果连接成功以后，节点读取每个数据，并将其传到协调器，看协调器是否有控制命令，若有则执行相关的操作，然后节点循环执行上面的操作，具体操作流程图如图2所示。
3.2协调器的程序设计
协调器上电后，先对其硬件和协议栈进行初始化操作，然后检查电源电量。选择合适的信道，开启协调器，终端采集节点已经将数据传输给协调器，ZigBee网络需要把数据通过GPRS无线传输给远程监控机对其进行相应的处理和分析或者直接传输给LED。具体流程图如图3所示。
3.3GPRS模块软件设计
GPRS主要是将经过协调器转换的Zigbee网络连接到外部的Internt网络，完成Zigbee网络和上位机的通信。该模块通过AT指令编程进行网络连接和数据传输。网络连接过程：先查看模块是否正常工作，如果正常则设置APN、用户名和密码，如果成功了，则设置网络连接方式，成功后在设置本地IP和端口，成功后，开始UDP连接，连接成功后开始数据传输。GPRS的网络连接流程图如图4所示。
3.4监控中心程序设计
监控中心主要是实现数据的处理、分析综合，主要通过Visual6C++程序开发，实现了很好的人机见面。监控中心通过接受采集的实时数据，通过软件程序分析和综合，对空气质量作出合理的分析和预测，通过GPS定位对于污染比较严重的及时去现场查看，寻找污染源，从而对其及时的做出一定的干预和警告。
4结束语
本系统结合城市空气质量的实际情况，设计一种基于ZigBee和GPRS的监测系统，主要以TI公司的CC2530芯片为核心，结合GPRS模块的无线传输模块，快速实时的实现空气在线监测，人们可以通过无线LED显示，了解此时的空气质量状况。同时GPS定位对于准确确定污染源提供了方便，给气象方面给予了很大的帮助。该系统在城市空气质量检测方面有广泛的应用前景，有很实用的工程利用价值。解决了以前有线检测网络布线困难的问题，且实时的检测特定地点的空气质量，对于污染严重的地方可以做出及时的干预措施。如果把该系统的传感器换一个和检测的环境改变一下，该系统还可以应用在其他检测方面，比如水质监测，桥梁的安全监测、泥石流等检测，在检测领域范围有着很广的应用前景。
作者：杨红英 姚毅 宿广福