一種新型分層異構(gòu)跨網(wǎng)絡(luò)的空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模型的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信和嵌入式系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于ZigBee通信和3G/4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的分層異構(gòu)跨網(wǎng)絡(luò)的空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模型。
【背景技術(shù)】
[0002]環(huán)境問(wèn)題是我國(guó)亟需解決的重大問(wèn)題?？諝赓|(zhì)量的監(jiān)測(cè)是環(huán)境保護(hù)與污染處理過(guò)程中必不可少的環(huán)節(jié)。通過(guò)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)，可以了解空氣污染成分，為城市規(guī)劃提供依據(jù)，為改善環(huán)境提供支撐。信息技術(shù)的發(fā)展，對(duì)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化、智能化、數(shù)字化起到了重要的推動(dòng)作用。
[0003]現(xiàn)有的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要分為兩類(lèi):1)交互式系統(tǒng)，該類(lèi)系統(tǒng)能夠設(shè)置、查詢污染物信息，也能管理修改相關(guān)信息。主要缺點(diǎn)是不適合普通用戶使用，用戶無(wú)法感知傳感器的具體設(shè)置，也無(wú)法理解信息的具體作用，沒(méi)有較好的用戶體驗(yàn)，并且這種類(lèi)型系統(tǒng)不能實(shí)時(shí)反映數(shù)據(jù)的變化。2)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，這類(lèi)系統(tǒng)是對(duì)空氣質(zhì)量檢測(cè)的主流方式，但具體的實(shí)現(xiàn)方法卻各不相同。其最大的區(qū)別是無(wú)線傳輸模式，其主要選擇有:無(wú)線RF網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，ZigBee低速短距離傳輸?shù)臒o(wú)線網(wǎng)絡(luò)，以及藍(lán)牙。目前大部分系統(tǒng)選擇ZigBee構(gòu)建無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)。
[0004]3G是“第三代移動(dòng)通信技術(shù)”(英語(yǔ):3rd-Generat1n)的縮寫(xiě)，也就是IMT-2000 (Internat1nal Mobile Telecommunicat1ns-2000)，是指支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動(dòng)通訊技術(shù)。3G服務(wù)能夠同時(shí)傳送聲音(通話)及信息(電子郵件、實(shí)時(shí)通信等)。3G的代表特征是提供高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，速率一般在幾百kbps以上。
[0005]4G是第四代通訊技術(shù)的簡(jiǎn)稱。4G系統(tǒng)能夠以10Mbps的速度下載，比目前的撥號(hào)上網(wǎng)快2000倍，上傳的速度也能達(dá)到20Mbps，并能夠滿足幾乎所有用戶對(duì)于無(wú)線服務(wù)的要求。此外，4G可以在DSL和有線電視調(diào)制解調(diào)器沒(méi)有覆蓋的地方部署，然后再擴(kuò)展到整個(gè)地區(qū)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種新型基于ZigBee通信和3G/4G無(wú)線通信技術(shù)的分層異構(gòu)跨網(wǎng)絡(luò)的空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模型。本發(fā)明具有低成本、低功耗、適應(yīng)性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、覆蓋范圍廣和遠(yuǎn)距離、超遠(yuǎn)距離的跨網(wǎng)絡(luò)無(wú)線通信的優(yōu)點(diǎn)。
[0007]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:新型分層異構(gòu)跨網(wǎng)絡(luò)的空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模型，包括基于ZigBee無(wú)線技術(shù)的空氣質(zhì)量終端監(jiān)測(cè)模塊、路由節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)，基于3G/4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的3G/4G空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端模塊以及用于接收、存儲(chǔ)、處理、綜合空氣質(zhì)量信息的的物數(shù)據(jù)服務(wù)中心。
[0008]通過(guò)在建筑物各樓層中布置ZigBee終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，并選擇最優(yōu)通信點(diǎn)放置ZigBee路由節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組網(wǎng)方式構(gòu)成ZigBee局域網(wǎng)，終端節(jié)點(diǎn)采集空氣質(zhì)量并通過(guò)Z i gB e e網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸給局域網(wǎng)內(nèi)的路由節(jié)點(diǎn)，單級(jí)路由節(jié)點(diǎn)將其控制范圍內(nèi)的終端節(jié)點(diǎn)所探測(cè)到的空氣質(zhì)量信息進(jìn)行接收后分類(lèi)打包傳遞給上級(jí)匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)再將所有信息傳遞給服務(wù)中心，以此實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)樓宇空氣質(zhì)量信息；在平面區(qū)域中，可根據(jù)需要在特定的地點(diǎn)固定ZigBee終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，并覆蓋路由節(jié)點(diǎn)，而在偏遠(yuǎn)地區(qū)或者ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)無(wú)法覆蓋的區(qū)域或者想要?jiǎng)討B(tài)監(jiān)測(cè)的一些地方區(qū)域，可選擇放置基于3G/4G技術(shù)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端模塊，通過(guò)3G/4G無(wú)線通信技術(shù)直接將信息發(fā)送給物數(shù)據(jù)服務(wù)中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)平面區(qū)域的監(jiān)測(cè)。
[0009]所述的基于ZigBee無(wú)線技術(shù)的空氣質(zhì)量終端監(jiān)測(cè)模塊，包括空氣質(zhì)量傳感器模塊，基于ZigBee的ARM控制模塊，以及電源模塊。
[0010]所述基于3G/4G技術(shù)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端_旲塊，包括3G/4G無(wú)線發(fā)射_旲塊，空氣質(zhì)量傳感器模塊，基于3G/4G的ARM控制模塊以及電源模塊。
[0011 ] 所述空氣質(zhì)量傳感器模塊，包括粉塵傳感器，溫度傳感器，有害氣體傳感器，GPS模塊；傳感器根據(jù)空氣質(zhì)量輸出pwm脈沖，并通過(guò)統(tǒng)計(jì)脈沖信號(hào)計(jì)算當(dāng)前的空氣污染參數(shù)。
[0012]所述基于ZigBee的ARM控制模塊，包含ARM微處理器、外部存儲(chǔ)塊、串口模塊，ZigBee天線，LED燈以及相關(guān)電子電路組成，用于連接空氣質(zhì)量傳感器，發(fā)送信息。
[0013]所述基于3G/4G的ARM控制模塊，包含ARM處理器、外部存儲(chǔ)塊、串口模塊，3G/4G天線，LED燈以及相關(guān)電子電路組成，用于連接傳感器，發(fā)送信息。
[0014]所述電源模塊，主要是由電池、太陽(yáng)能電池板和電源管理模塊組成，所述干電池用于連接ARM控制模塊，以供給ARM控制模塊以及所連接的傳感器能源，所述太陽(yáng)能電池板主要用于連接路由節(jié)點(diǎn)模塊。
[0015]所述3G/4G無(wú)線發(fā)射模塊，主要是用于將所連接的空氣質(zhì)量傳感器所探測(cè)到的信息通過(guò)3G/4G無(wú)線通信技術(shù)發(fā)送給物數(shù)據(jù)服務(wù)中心。
[0016]所述路由節(jié)點(diǎn)，由CC2530和、PA功放模塊RFX2401C和太陽(yáng)能電池板構(gòu)成；PA模塊通過(guò)放大放射功率增大數(shù)據(jù)的傳輸距離，太陽(yáng)能電池板則為節(jié)點(diǎn)提供長(zhǎng)久的清潔能源續(xù)航。路由節(jié)點(diǎn)完成與空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端模塊之間的組網(wǎng)，收集終端模塊信息，主要用于擴(kuò)展整個(gè)空氣質(zhì)量探測(cè)范圍。
[0017]所述匯聚節(jié)點(diǎn)，由CC2530和USB轉(zhuǎn)串口模塊CH341組成；匯聚節(jié)點(diǎn)接收所有的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中的空氣質(zhì)量信息，并將信息發(fā)送至物數(shù)據(jù)服務(wù)中心。
[0018]所述物數(shù)據(jù)服務(wù)中心，包含監(jiān)測(cè)顯示系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，主要由刀片服務(wù)器構(gòu)成。監(jiān)測(cè)顯示系統(tǒng)提供完整的空氣質(zhì)量顯示功能，并提供數(shù)據(jù)搜索功能，實(shí)現(xiàn)按照特定節(jié)點(diǎn)，特定日期，特定位置進(jìn)行空氣質(zhì)量查詢；數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)主要用于存儲(chǔ)整個(gè)空氣質(zhì)量信息。
[0019]基于ZigBee通信的終端設(shè)備通過(guò)在建筑物各層以及平面區(qū)域布置終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，將監(jiān)測(cè)到的空氣質(zhì)量信息傳遞給路由節(jié)點(diǎn)，并最終通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)匯聚到物數(shù)據(jù)服務(wù)中心；而基于3G/4G無(wú)線通信技術(shù)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)布置在ZigBee網(wǎng)絡(luò)難以覆蓋的區(qū)域或者要?jiǎng)討B(tài)監(jiān)測(cè)、經(jīng)常性移動(dòng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的建筑物或平面區(qū)域，節(jié)點(diǎn)將直接通過(guò)3G/4G無(wú)線通信技術(shù)直接將信息傳遞給物數(shù)據(jù)服務(wù)中心。同時(shí)，物數(shù)據(jù)服務(wù)中心接受實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量信息，并對(duì)外提供方便操作，簡(jiǎn)單美觀的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)站，網(wǎng)站還擁有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理和分析功能。
[0020]本模型擁有采集環(huán)境參數(shù)，計(jì)算和處理數(shù)據(jù)功能，并具有低成本、低功耗、適應(yīng)性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、覆蓋范圍廣和遠(yuǎn)距離、超遠(yuǎn)距離的無(wú)線通信的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，具有以下有益效果:
[0021]1.本發(fā)明可同時(shí)實(shí)時(shí)采集多種空氣質(zhì)量參數(shù)(包括二氧化硫濃度，氮氧化物濃度，粉塵濃度)，可進(jìn)行分層次，分區(qū)域，跨網(wǎng)絡(luò)的空氣質(zhì)量信息監(jiān)測(cè)，適應(yīng)性好，數(shù)據(jù)采集覆蓋范圍廣，不受地理環(huán)境約束。
[0022]2.數(shù)據(jù)通信能力強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣。節(jié)點(diǎn)設(shè)備通過(guò)Zigbee無(wú)線通信模塊加入局域網(wǎng)，或者直接通過(guò)3G/4G無(wú)線通信技術(shù)有效的將信息傳遞給物數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)，并且在路由節(jié)點(diǎn)添加PA功放模塊，有效的延長(zhǎng)了信息傳輸距離，降低了信號(hào)衰減。
[0023]3.節(jié)點(diǎn)設(shè)備運(yùn)行功耗低，節(jié)點(diǎn)設(shè)備的軟硬件系統(tǒng)均采用了節(jié)能低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)，并且在耗能量較高的路由節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)處添加太陽(yáng)能板供應(yīng)能源，有效延長(zhǎng)了節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間和壽命。
[0024]4.實(shí)時(shí)處理并發(fā)布區(qū)域空氣質(zhì)量，并且將長(zhǎng)期的環(huán)境參數(shù)存儲(chǔ)至檢測(cè)中心的數(shù)據(jù)庫(kù)，方便用戶檢測(cè)與分析。
[0025]5.用戶交互良好，物數(shù)據(jù)服務(wù)中心顯示網(wǎng)站展示效果簡(jiǎn)單美觀，易于操作。
【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖2固定地點(diǎn)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)示意圖。
[0028]圖3動(dòng)態(tài)區(qū)域空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0030]如圖1所示，本發(fā)明用于監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量信息，包括基于ZigBee無(wú)線技術(shù)的空氣質(zhì)量終端監(jiān)測(cè)模塊、路由節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)，基于3G/4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的3G/4G空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端模塊；可以分為三個(gè)層次進(jìn)行檢測(cè)實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量信息:建筑物空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、平面區(qū)域空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)區(qū)域空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)最終都將匯聚到物數(shù)據(jù)服務(wù)中心，進(jìn)行分類(lèi)存儲(chǔ)并顯示。
[0031]基于ZigBee無(wú)線技術(shù)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)模塊主要包含MQ135傳感器、PM2.5傳感器和溫度傳感器以及基于ZigBee的ARM控制塊。傳感器的型號(hào)如下:MQ135氣體傳感器(工作電壓為5.0V+-0.1V，回路電壓小于24V，加熱功耗小于900Mw，工作環(huán)境溫度范圍為_(kāi)10攝氏度到50攝氏度，儲(chǔ)存溫度為-20攝氏度到70攝氏度，相對(duì)濕度為小于95% RH,適用范圍為10-1000ppm)MQ135使用的氣敏材料是在清潔空氣中導(dǎo)電率較低的二氧化錫(Sn02)。當(dāng)空氣中的污染物濃度逐漸增大，其導(dǎo)電率也增大，輸出低電平，當(dāng)空氣潔凈時(shí)，輸出高電平。MQ135傳感器對(duì)氨氣、硫化物、苯系蒸汽的靈敏度高，對(duì)煙霧和其它有害的監(jiān)測(cè)也很理想。這種傳感器可檢測(cè)多種有害氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。PM2.5傳感器(工作電壓5.0+-0.5V，輸出方式PWM脈寬調(diào)制，輸出電壓有污染物時(shí)為低電平小于1.0V，空氣潔凈時(shí)為高電平高于4.0V，最小粒子檢測(cè)能力為lum，檢測(cè)范圍為15000個(gè)/283ml，工作電流為90mA，儲(chǔ)存溫度范圍-20攝氏度到80攝氏度，工作環(huán)境溫度范圍為-10攝氏度到60攝氏度，穩(wěn)定時(shí)間為加熱器電源接通后約I分鐘)采用離子計(jì)數(shù)原理，可靈敏檢測(cè)直徑為I微米以上的離子，內(nèi)置加熱器可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)吸入空氣，并且尺寸小，重量輕，容易安裝使用。溫度傳感器采用DS18B20/DS1822，DS18B20/DS1822支持“一線總線”接口，測(cè)量溫度范圍為-55°C?+125°C，在-10?+85°C范圍內(nèi)，精度為±0.5°C。DS18B20/DS1822的精度較差為±2°C。現(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。該傳感器支持3