雾霾探测系统的无线传输.docx

雾霾探测系统的无线传输一、雾霾概述1.1 雾霾概念雾霾，顾名思义是雾和霾。但是雾和霾的区分很大。空气中的灰尘、硫酸、硝酸等颗粒物组成的气溶胶系统造成视觉障碍的叫霾。从中国气象局2022年2月新闻发布会上获悉，入冬以来，中东部大部地区雾霾频发，雾霾日数普遍在5天以上。气象专家表示，造成雾霾天气偏多、偏重的缘由主要有以下三方面：一是1月影响我们国家的冷空气活动较常年偏弱，风速小，中东部大部地区稳定类大气条件消失频率明显偏多，尤其是华北地区高达64.5%,为近10年最高，易造成污染物在近地面层积聚，从而导致雾霾天气多发；二是我们国家冬季气溶胶背景浓度高，有利于催生雾霾形成；三是雾霾天气会使近地层大气更加稳定，会加剧雾霾进展、加重大气污染。雾霾天气形成既受气象条件的影响，也与大气污染物排放增加有关，建议进一步加大大气环境治理和爱护力度，特殊是要加强多部门会商联动，完善静稳天气条件下大气污染物应急减排方案，以防范和掌握重污染天气的消失。1.2 我们国家现状2022年2月20-26日，持续7天的重度雾霾天气更是北京市数年来持续时间最长、空气质量最严峻的一次。部分站点PM2.5小时浓度超过每立方米550微克，达到空气质量指数AQl评价的浓度上限，即所谓的“爆表”。国外对此空气的评价是，“有毒！”气象的变化与人类生活紧密相关，直接影响着人类从事生产劳动、交通运输、航空航天等活动。气象观测是基础理论与现代科学相结合，多学科交叉融合的独立学科，在大气科学进展方面起着至关重要的作用，处于大气科学进展的前沿。气象观测的信息和数据是开展天气预警预报、气候猜测预估、气象服务及科学讨论的基础，为促进大气科学进展供应科学依据.二、初期基于物联网的PM2.5检测模型结构设计初期设计构想出了一种基于物联网的人体可吸入颗粒PM2.5浓度监测模型，由传感器检测模块、路由器传输模块、数据汇合模块以及上位机模块组成。传感器检测模块用于猎取雾霾环境下的人体可吸入颗粒PM2.5浓度信息，同时将信息传递到路由器传输模块；路由传输模块则将猎取的信息反馈到数据汇合模块进行相关的操作；数据汇合模块将完成操作的信息反馈到上位机模块，再通过上位机模块对信息进行分析、显示和报警。上述分析的人体可吸入颗粒PM2.5浓度监测模型，可确保户在任何时间、地点和任何环境条件下，得到有效的人体可吸入颗粒PM2.5浓度信息，检测模型的结构图用图1描述。图1检测模型的结构图Eig.1Thetestingmodelofthestmcture1.1 传感器检测模块传感器检测模块由人体可吸入颗粒PM2.5浓度传感器、末级微掌握器和末级Zigbee收发器组成；人体可吸入颗粒PM2.5浓度传感器用于猎取人体可吸入颗粒PM2.5浓度信息，再采纳A/D变换方法对PM2.5浓度信息进行分析后反馈到末级微掌握器；末级微掌握器对猎取的信息分析分析，采纳末级Zigbee收发器传递到路由器传输模块，如图2所示。图2传感器检测模块Fig.2Thesensordetectionmodule1.2 路由器传输模块路由器传输模块由初始位置路由器节点、中继位置路由器节点、初始位置路由器节点的地1、2级微掌握器、第1、3级Zigbee收发器、中继位置路由器节点的第2级微掌握器、第2、3级Zigbee收发器组成。初始位置路由器节点采纳第1、3级Zigbee收发器，猎取传感器检测模块反馈的信息，将信息传输至第1、2级微掌握器，并进行相关的操作，再采纳第1、3级Zigbee收发器，将操作完的信息到中继位置路由器节点；中继位置路由器节点通过第2、3级Zigbee收发器，猎取初始位置路由器节点中的信息，并将信息传递到第2、2级微掌握器，同时对信息进行相应的操作，再采纳第2、3级Zigbee收发器将操作完的信息反馈到数据汇合模块，如图3所示。图3路由器传输模块2. 3数据汇合模块数据汇合模块包括1级微掌握器以及2级zigbee收发器，如图4所示。2级zigbee收发器用于采集路由器传输模块反馈的PM2.5浓度信息，并且将信息传递到1级微掌握器进行相关的操作，过滤无价值数据信息，1级微掌握器管理2级Zigbee收发器，同时将操作完的信息反馈到上位机模型中。图4数据汇集模块Fig.4ThvdataacquisitionmtMule三、无线传感技术选择传统传感器网络最早在上世纪年月消失，其已经拥有连接掌握器与点对点传输的雏形,此为第一代传感器网络。随着科学技术的进展，传感器网络逐步向能够猎取多种信号及综合处理力量的方向进展，此为其次代传感器网络。上世纪年月开头，传感器网络已经结合了当时先进的现场总线技术，能够连接大量多功能传感器组成智能化传感器网络，并通过无线连接技术进行通讯，至此无线传感网络渐渐形成。将来的网络传输技术将向着以下几方面进展：低成本实现高速率传输、适应多种环境、尽带简化的网络通信基础设施。具有较高敏捷性的无线传感技术必将在今后的通信网络中扮演着重要的角色。无线传感技术是依靠分布于被测区域内的若干网络节点猎取信总的。其节点具有肯定的运算力量，各网络节点通过特定网络合同进行通讯。无线传感网络能够在目标区域内进行定位、识别、跟踪、探测等。目前最先进的微型传感器已经具计算、感知与通讯力量。3.1各种定位技术的比较名称GPS手机Wi-FiUWB蓝牙RFIDZigBcc主要应用航空、航海、运输、测量、勘探宽广地区音频和数据网络、Email、提供无线局域网的接入视频娱乐、雷达、室内密集多径的高速无线接入替代有线电缆设备识别、移动商务监控、构建网络系统资源>IMb>16Mb>lMb一>250Mb256bil2Kb4Kbl28Kb电池寿命17天17天0.5-5天10100天17天100-1000天6个月2年网络规模113218,大于8通信速率M著下降1个读写器同时识别多个标签多目标识别，容量达65536速率128kpbs64128kpbs11IMbps儿口MbpsIMbps106kpbs20-250kpbs距离>1000米>1000米1-100米<10米ITO米0.1TO米10-1000米技术优点全天候，覆盖范围大,高精度，用户安全院蔽覆盖范围广，适合远距离传输覆盖范围广，传输速率快，组网灵活，组网价格较低传输速率高，多径分辨率极高，穿透力强，功耗低，安全性高，定位精度高设备体积小，易集成，使用方便使用寿命长,功耗低,同时识别多个标签功耗低，成本低，网络容量大，延时短，体积小技术缺点成本高，受环境干扰大，不适用室内定位功耗大，受网络影响大，盲点多，定位信号收费通信质量差，数据安全性较差，功耗极大，距岗近平均发射功率低，通信距离短，发射功率受限蓝牙设备成本较高，稳定性较差，传输距离近距离近，不具备通信功能，不能整合到其他系统距离较近，速率较低表1Zigbee与其他无线定位技术比较通过以上对比不难发觉，采用ZigBee技术实现定位系统，满意系统功耗低、成本低、体积小、延时短、简单度低、信号传输不受视距影响等性能要求，而且其工作频段是全球免费开放的，这些特性弥补了GPS和手机定位的不足之处。虽然ZigBee通信距离较近，但是仍远大于超声波、红外、RFTD等技术的通信距离，且不受非视距传播影响，设计时在系统中使用了射频放大器和低噪声放大器，这就有效的增加了传输距离，使之能够满意系统整体要求。此外，ZigBee网络容量大，可以用一个设施检测识别多个设施，这也是其独特的优势所在。3. 2ZigBee定位技术的优点目前的定位技术除了具有各自的优势外，都存在着一些不足之处:包括定位精度低、定位范围小、受视距影响大、应用范围有限、抗干扰力量差、信息平安性差、价格较高、功耗较大、收发器体积较大等等。为克服现有技术的上述缺点，木文提出了一种新的定位方案一基于ZigBee的定位技术。ZigBee技术弥补了低成本、低功耗和低速率无线通讯市场的空缺,其胜利的关键在于丰富而便捷的应用，而不是技术本身。止匕外，通过对探测系统硬件和软件的设计，明显提高了系统的通信距离和定位精度，改善了系统抗干扰力量和平安性能，收发器尺寸IICm*5cm*cm,仅为一般手机大小。),在数千个微小的传感器之间相互协调通信以实现定位，这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率特别高。ZigBee技术具有以下特点：(1)低功耗。由于ZigBee传输速率低，传输数据量很小，因此信号的收/发时间短；而在非工作模式时，ZigBee节点又处于休眠模式。加之设施的搜寻、体眠激活和信道接入延时都很短，且放射功率仅为Im肌因此ZigBee设施特别省电。两节五号电池支持一个节点长达6个月到2年左右的使用时间。相比较，蓝牙能工作数周、Wi-Fi可工作数小时；(2)低成本。与GPS相比，ZigBeeRF收发器与MCU集成在一起，成本不及GPS硬件的1/10,功耗也只是GPS硬件的一小部分。通过大幅度简化合同(不到蓝牙的1/10),降低了对通信掌握器的要求，按猜测分析，以8051的8位微掌握器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至4KB代码，而且ZigBee合同免专利费；(3)低速率。ZigBee在不同的工作频段有不同的数据传输速率，但都处于较低的速率。在2.4GHZ频段,有10个速率为25OkPbS(或率为ksymbol/s)的信道;在915MHZ频段,有16个速率为40kpbs(或40ksymbols)的信道；在868MHz频段，有1个速率为20kpbs(或20ksymbols)的信道。从能量功耗和成本、速率来看，不同的数据速率能为不同的应用供应较好的选择；(4)近距离。一般两个ZigBee节点间的通信距离介于l(00m之间，在增加无线RF放射功率后，亦可增加到13km。这指的是相邻节点间的距离。假如通过路由和节点间通信的接力，建立起ZigBee设施的多跳通信链路，传输距离将可以更远；(5)高牢靠。采纳了碰撞避开机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据时的竞争和冲突；节点模块之间具有自动动态组网的功能，信息在整个ZigBee网络中通过自动路由的方式进行传输，从而保证了信息传输的牢靠性；(6)短时延。通信时延和从休眠状态激活时延都特别短:搜寻设施延时为30ms,休眠激活延时15ms,节点接入网络只需15ms,节约了电能。而蓝牙需310s,Wi-Fi需要3s,因此ZigBee技术适用于对实时定位要求较高应用；免许可无线通信频段。ZigBee采纳的物理、MAC层合同是IEEE802.15.4,它工作在2.4GHz或868/915WlZ的工业科学医疗(ISM)频段,对全球2.4GHz频段均免许可使用，868MHZ在欧洲，915MHZ在北美免许可使用；(7)大容量网络。一个ZigBee网络最多包括255个节点，其中一个是主控设施，其余则是从属设施。若是通过网络协调器，整个网络可支持达65000个节点;再加上网络协调器相互连接，整个ZigBee网络节点数特别可观；(8)多组网方式。ZigBee网络可通过网络协调器组成星状、树状、网状等多种组网方式，组网敏捷，可通过节点的加入和退出访网络动态变化;平安。具备三级平安模式，ZigBee供应了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采纳通用的AEST28;高保密性。具备三级平安模式，其中，在第三级平安处理中采纳64位出厂编号并支持AES-128加密。四、Zigbee网络组成3.1 设施类型功能Zigbee网络中的设施依据功能可分为FFD与RFD。FFD英文全称FullFunctionalDevice,中文译为全功能设施，可以实现Zigbee的全部通信合同。RFD英文全称RedUCedFUnCtiOnalDeVice,中文译为简化功能设施，只能依据应用需要实现部分合同内容，因此只能完成将自身数据上传至其父节点，而不能转发其他节点的数据。RFD只能与FFD通信，FFD可以与其他FFD或RFD通信。典型的Zigbee网络由协调器、路由器与终端设施组成，其中协调器与路由器必需由FFD担当，终端设施可以由RFD或FFD担当。每个网络中只有一个Zigbee协调器。从网络建立角度来看，它是整个网络建立初期的掌握中心。协调器是整个网络的第一个设施,协调器开启后首先选择一个网络标识一与信道,允许其他节点加入并形成网络。协调器同样负责无线网络与上位机系统的通信，所以一般协调器拥有比其他FFD功能更强大的硬件设施。从功能角度来看，扮演协调器角色的FFD与网络中其他的FFD没有区分，在网络建立之后，依据需要还可以将协调器的任务交给其他FFDoZigbee路由器通常消失在簇树与网状拓扑网络中，主要起到连续网络深度的作用。路由器可以作为RFD或FFD的父节点，但只能作为FFD的子节点连接协调器或其他路由器，具体路由方式由Zigbee合同中的路由算法打算。一般状态下路由节点不能休眠。终端设施作为网络的最末端节点主要负责网络中数据的采集与发送。作为网络中功能最简洁的设施，可以在其没有工作任务的时候选择休眠状态，依据需要也可以退出网络而不影响其他节点工作。3.2 网络拓扑结构Zigbee网络依据不同击求，主要可以形成星状、簇树状一与网状网络拓扑结构。星状网络是最简洁的Zigbee网络拓扑结构，只有协调器与终端设务全部的终端只与协调器进行信息传递，不同终端之间信息则通过协调器中转传递，但协调器的处理力量往往限制了整个网络的运行。网状网络中的信息传递更为敏捷，可依据需求选择不同路由方式传递。此网络中的任意两个节点，只要有一个是FFD且互在对方有效通信范围内，就可以建立通信通道。星型拓扑点对点对邻柘扑图5星状网状网络结构在簇树状网络结构中路由器作为簇树状网络的枢纽，将各网络节点相互点对点连接，最终汇聚于协调器组成网络。网络中侮个节点的信息只通过其父节点向协调器传输，不是父子关系的节点间信息可以通过各自通向协调器的路径间接传递。图6树状网络结构4. 3Zigbee路由流程Zigbee合同栈中规定了使能路由发觉、禁止路由发觉与强制路由发觉三种路由发觉方式。协调器通过路由器与其目标设施通信的路由选择有两种方式。当目标设施在其已建立的邻居表内且通讯范围允许，则直接通过表内路由方式传递。当目标设施不在其邻居表内时,则需通过路由发觉方式建立路由关系。图7Zigbee基本路由算法4. 4处理单元选取目前Zigbee技术主要有三种解决方案，即指定MCU+ZigbeeRF射频模块、通用MCU+内置Zigbee合同栈芯片、ZigbeeSOC片上系统集成芯片。前两种解决方案应用在Zigbee技术早期，而后者则是将内置Zigbee合同栈的单片机与Zigbee掌握器集成到一枚芯片中。SoC片上系统集成芯片在减小体积的同时也大大降低了能耗，降低了Zigbee技术的开发难度，这也是将来无线网络技术在简化开发与应用方面的进展方向。本系统将采纳SoC芯片中的单片机作为节点掌握器。通过程序掌握节点组网、收发数据以及协调器与上位机通讯。Zigbee网络具体采纳美国德州仪器(Tl)公司出品的CC2530芯片作为协调器与路由及终端节点的网络解决方案。其是一款真正意义上的SOC片上系统集成芯片。CC2530芯片集成了8051单片机，ZigbeeRF收发器,支持IEEE802.15.4标准、Zigbee以及ZigbeeRF4CE标准。此芯片拥有32k、64k、128k、256k四种闪存版本，其四种不同电源工作模式能够将耗能降至最低。CC2530芯片还拥有丰富的外设，包括5通道DMA、AES平安协处理器、支持精确地数字化RSSI/LQI、IR发生电路、一个8位通用口寸器和一个16位通用定时器、21个通用I/O引脚以及强大的5通道DMA和看门狗定时器等。CC2530芯片的优点还表现在以下几方面：(1)低功耗CPU空闲时的接收模式只需24mA电流，发送模式只需29mA且发送功率达到Idl;模式1时4s唤醒，工作电流2mA模式时睡眠定时器运行，工作电流lA;工作模式3外部中断时，工作电流0.4A°(2)开发工具CC2530开发套件；CC2530Zigbee开发套件；基于RF4CE的CC2530RemoTT开发套件。E8QX ZE 53zeoso×5rlzd c*>>ZOlXZe OSOX/olZd 鬲 ZlZd g>Lled 9cold Ze ZlLd 8CO2d66LQCJ9Idn。*图8CC2530芯片典型应用电路协调器节点需要将某些收集到的环境参数作为对比参数长期保存，而且还需保存各节点电量信息以便在路由路径选择时作出符合要求的推断。这对于CC2530芯片内8051单片机内的RAM来说不能完全胜任，所以还需要采纳芯片外存储器。本系统采纳24C16型EEPROM。24C16为可擦除式PROM,分别采纳两线串行接口与2048*8-bit的组织结构。24C16存储器的存储功能与结构简洁，只能进行读操作与写操作。最低运行电压为1.8V待机电流最小可为lA最小工作电流为ImAo如图中SCL引脚负责串行时钟信号输入，SDA引脚为串行数据I0oGI)IOK图9片外存储器硬件电路五无线传感网络技术5.1无线传感网络无线传感网络是由分散在局部区域中大量的成本低、体积小、具有无线通信力量、数据处理力量的传感节点构成。每个节点具有不同的传感途径，比如超声波、红外线，或者某个具体的传感器等等，每个传感器节点可以对目标数据进行采集、传输、掌握，实现局部监控、目标定位和信息猜测等任务。每个传感器节点都具有存储、处理、传输数据的力量。通过无线网络，传感器节点之间可以进行信息的传递、交换。无线传感网络节点一般由数据的采集单元、处理单元、传输单元组成。数据的采集单元由各种传感器和微信号处理、A/D转换设施组成，负责数据的采集。数据的处理单元由微掌握单元，如单片机或微处理器，以及微操作系统、数据处理程序等组成，负责将采集到的数据进行处理。并将传感器节点的位置信息、采集到的目标数据进行综合分析，然后将处理结果传送到数据传输单元或者存储在本地。数据的传输单元由无线收发模块组成，负责无线数据的收发。分为传感器节点之间的通信，以及传感器节点和传感器基站之间的通信。5. 2简洁网络管理合同SNMP5. 2.1SNMP网络管理体系结构1 .简洁网络管理合同简洁网络管理合同(SimPIeNetworkManagementProtocol,SNMP)是网络管理者与代理之间通信的标准。管理者与代理之间通过网络管理合同交互信息。SNMP由IETF最初制定，前身是简洁网关监控合同(SGMP),现已成为网络管理领域上的事实标准。2 .网络管理模型如图10所示。在网络管理中，一般采纳管理者/代理模式，网络管理者通过操作指令向代理发送恳求，代理依据不同的操作指令对被管理对象进行操作，对被管理对象的操作实质上就是对MTB库进行操作，代理完成对被管理对象的操作以后，将对网络管理者进行响应,Pl复操作结果。SNMP的指令传输是基于UDP合同实现的，UDP合同的特点在于不行靠传输，也就是说SNMP报文并不能保证正确传送，但一般在局域网范围内传输失败率可以忽视。MlB库图10网络管理基本模型3 .网络管理者网络管理者负责向SNMP代理发送管理操作指令，并接收来自SNMP代理的响应信息。网络管理者定期查询SNMP代理收集到的信息，网络管理者与SNMP代理之间交互的信息基于管理信息库，这些信息通过网络管理合同被封装在合同的PDU中，网络管理者向SNMP代理发送数据恳求，SNMP代理响应并把处理结果封装在合同的PDU中回复给网络管理者。4.SNMP代理SNMP代理(SNMPAgent)是一段可执行程序，常驻留在被管理设施中，诸如交换机、路由器等设施，用于响应网络管理者发来的恳求和操作指令，同时也向网络管理者报告被管理设施的相关信息。5. MIB库存储被管理设施信息的库叫作管理信息库(ManagementInformationBase),一个或多个MIB文件组成一个MIB库,这些MTB文件需要依据管理信息结构的标准定义进行编写，MTB库呈现的是一个树形的结构，在网络管理过程中，对被管理对象的管理就是通过操作MIB库来实现的。5. 2.2SNMP合同体系结构如图11所示，为SNMP合同的网络体系结构，网络通信的实质就是进程间的通信，对于网络管理者与SNMP代理之间的通信可以看作为网络管理者进程与SNMP代理进程间的通信。管理进程发送数据恳求时将指令封装成SNMP数据包，然后通过UDP合同发送至对等的代理进程。代理进程在接收到SNMP数据包进行解包，获得所需要的数据。如前文提到的，SNMP合同为应用层合同，基于UDP合同传输，所以间或会产生SNMP数据包丢失的状况。网络管理者管理代理代理进程图IISNMP合同体系结构经过这些年的进展，至IJ目前SNMP已经有了3种版木，分别为SNMPV1、SNMPV2和SNMPV3。第1版和第2版没有太大差距，但SNMPv2是增加版本。与前两种相比，SNMPv3则包含更多平安和远程配置。SNMPvl定义了5种合同数据单元类型，也就是GetReqUest、GetNeXtReqUest、SetReqUest、GetReSPonSe和TraP这5种基本操作。SNMPV2版本在vl版本的基础上又增加了GetBulk和Inform两种数据恳求类型。5. 3Net-SNMP资源包Net-SNMP是一个免费的、开放源码的SNMP实现，最早始于卡耐基梅隆高校的CMU2.1.2.1版本的SNMP源码，以前称为UCD-SNMPo在2000年11月又由UCd-SnmP更名为Net-SNMP,它包括agent和多个管理工具的源代码，支持多种扩展方式，Net-SNNfP支持SNMPV1、SNMPv2和SNMPV3,可以应用在IPv4及IPv6网络环境下。6. 4AdventNetSNMP资源包AdventNetSNMPAPT是AdventNet公司供应的SNMP软件包。它遵守Internet的RFC法律规范，支持SNMPV1、SNMPV2c和SNMPv3,为开发者供应了一种开发基于SNMP应用软件的开发平台。该平台支持HTTP、RMT和CORBA等标准，并且供应了不同级别的开发库，使开发具有较大的敏捷性。开发者既可以使用较低层的APl访问具体的SNMP信息，又可以选用较高层次的APT而不需要处理SNMP细节，从而简化程序的开发过程。全部的AdventNetSNMPAPl均属于COm.adventnet.snmp.*。本文在实现过程中就采纳了较高层次的APT而不需要关怀具体的SNMP通信细节，从而简化了程序的开发过程。7. 5嵌入式开发环境8. 5.1嵌入式LinUX操作系统Linux是一款内核源代码开放的，免费的操作系统，由于其具有可裁剪、内核小、效率高、适应于多种CPU和多种硬件平台等特点而被广泛的应用在嵌入式系统开发中。常见的嵌入式Linux操作系统如UCLinUx、EmbedixRTLinux>RTAI>中科红旗嵌入式Linux以及目前最热的Android操作系统等。本课题采纳的是RTLinUX,内核版本为2.6.15。9. 5.2ARM处理器ARM(AdvancedRISCMaChineS)是英国的一家微处理器行业的知名企业，主要从事RTSC处理器的设计，其设计出来的处理器具有性能高、成本低、能耗低的特点。ARM公司将其技术授权给世界上许多闻名的半导体、软件和OEM厂商如Intel.IBM>LG>SONY、三星等进行生产相应的产品。本课题采纳的是韩国三星公司生产的S3C2410A进行SNMP代理的设计。六、基于ZigBee的监控方案设计其中系统的硬件设计部分内容有：arm嵌入式中继平台的硬件搭建，ZigBee无线传感器网络的搭建及设施选型，各个功能模块之间通信方式的选择与接口的实现。软件部分的设计：ZigBee无线传感器网络数据采集与通信方式的设计与实现，嵌入式中继平台主机实时操作系统的裁剪移植、嵌入式SNMP代理的移植、串口守候进程的移植、Web监控平台以及其与代理之间通信的设计实现。本课题使用交叉编译器arm-linux-gcc对IJnux内核、SNMP代理以及串口守候进程程序进行编译；使用MyEclipse7.5和MySql开发Web监控平台。使用Jennic的Codeblocks来开发并搭建ZigBee无线网络。设计内容如下：1) arm嵌入式中继平台的搭建；2) ZigBee无线网络的搭建与通信设计；3)嵌入式SNMP代理与串口守候进程的设计与移植；4) Web监控平台的设计与实现；5)设计Web监控平台与嵌入式中继平台之间的通信,从代理端返同的数据可实时查看,亦可纪录数据至数据库，供历史数据查询。图12PM2.5检测系统的整体架构4.1 检测系统需求分析及构成无线传感网络是由分散在局部区域中大量的成本低、体积小、具有无线通信和数据处理力量的传感节点组成。每个节点可能具有不同的感知途径，比如超声波、红外线、某个具体的传感器等，每个传感器节点可以对目标数据进行采集、传输、掌握，实现局部监控、目标定位和信息猜测等任务。通过无线通信，传感器节点之间可以进行信息的传递、交换。因此,用无线传感器来搭建采集网络是一个比较适合的手段。那么怎样对无线传感器网络的数据进行检测和管理,是本系统方案首先要解决的一个问题，传统网络管理的方式有许多，其中以SNMP为代表的管理方式相对较成熟，同时也相对简洁、牢靠。而到目前为止对于无线传感器网络来说，还没有一个较好的管理模式，木系统尝试将SNMP用于无线传感网络的管理中来，将无线传感器网络抽象为一个虚拟设施作为SNMP被管理节点，在无线传感器网络上部署SNMP代理。然而假如直接在无线传感器网络上部署SNMP代理，则需要无线传感器网络具有能够部署SNMP代理的基础，明显这不是无线传感器网络所具备的优势，并且不利于无线传感器网络低功耗的优势体现，所以需要查找一个汇合节点，作为无线传感器网络的管理入口，这样一个汇合节点能够以肯定的方式供应对IP支持，也就是说，具有特定的IP地址，能够搭建必要的TCP/IP合同，在接入网络时，能够被现有LAN、Internet等网络访问，从而可以在其上部署SNMP代理，运行SNMP代理，为SNMP管理无线传感器网络供应可能。在实际开发的过程中，基于ARM内核的嵌入式开发板就是一个比较合适的解决方案。嵌入式系统作为专用计算机系统，具有专用性强，实时性好，可裁剪性好，牢靠性高，功耗低等特点。木系统采纳三星公司基于ARM(AdvancedRlSCMaChineS)结构的S3C2410微处理器。出于用户的角度考虑，在线监控系统要为用户对数据查询的实时性、随时性、任意性供应便利，那么采纳基于Web的上层检测系统是一个比较好的方式，在整个监控系统中，采纳Web监控平台的优势在于，通过B/S(BrowseZServer)架构，结合SNMP,用户可以在联接公共互联网的任何一台计算机上,使用通用扫瞄器调取信息处理中心服务器上所保存的数据，就可以查询某个指定代理下的某个终端上某个传感器的实时数据了。如图13所示，给出了监控系统的构成，整个系统主要由传感器模块、微信号处理模块、无线终端模块、无线协调模块、arm中继模块和veb监控平台组成。其中气体传感器实现PM2.5的识别以及气电转换；微信号处理实现微信号的放大、滤波、A/D转换；无线终端和无线协调模块实现局部无线网络数据的采集和通信；arm中继模块部署SNMP代理，实现对无线传感器网络的管理；Web监控平台则作为系统与用户之间的接口，实现数据的呈现以及整个系统的管理操作。图13监控系统构成10. 2监控方案设计步骤本课题旨在实现雾霾的在线监控，需要对核心部分，即无线传感网络的构建、无线传感网络与现有传统网络管理的融合、局部环境数据采集、处理以及Web监控平台进行设计。为适应局部环境的简单多变，系统采纳无线传感器搭建局部采集网络；为满意系统的牢靠性和实时性要求，系统使用强大稳定的LinUX作为嵌入式中继平台的操作系统；为满意用户对远程在线监控的需求，系统采纳J2EE技术构建Web监控平台的方案，以达到用户实时的、便利的对目标局部环境PM2.5进行监控的目的。系统的核心部分ZigBee无线传感器网络管理方案如下图14oZigBee无线终端ZigBeC尢线终端 一ZigBee尢线终端数据库及web务网络管理者_以太网ZigBCC尢线LZigBCC无线终端终端一ZigBee无线传感网络SNMP代理网络管理者图14ZigBee无线传感网络基于SNMP管理方案6. 2.1ZigBee无线传感器网络基于SNMP管理构成及工作原理ZigBee无线传感网络具有射频传输成本低，各节点只需要很少的能量，功耗低，适于电池长期供电，快速组网自动配置，自动恢复和高级电源管理等优点，所以特别适合用来组建局部无线网络。本方案就是采纳ZigBee搭建局部数据采集的无线传感网络，将无线传感网络与传统网络管理（SNMP）相结合，用传统的方式来对整个ZigBee网络进行管理，从而进一步实现对局部无线网络的数据进行采集和监控。如图14所示，ZigBee无线传感网络基于SNMP的管理方案，将无线传感器网络抽象为一个虚拟设施，加入到传统网络中来，作为SNMP的一个被管理节点，在基于ARM内核的嵌入式开发板上部署SNMP代理，供应对SNMP的支持，作为SNMP对无线传感网络的管理入口，从而进一步实现对ZigBee无线传感器网络的管理。无线网络终端加电启动后，将自动加入无线网络协调整点所组织的网络中，组成一个无线传感器网络。无线网络协调整点在收到无线终端的相关数据后，通过RS232串口将数据传送至ARM处理机中，ARM处理机通过以太网口进一步将数据传送至网络管理者，网络管理者进一步访问数据库相关纪录，对数据进行相关处理，实现对无线网络终端的管理操作。7. 2.2基于ZigBee的监控系统构成及工作原理在上述ZigBee无线网络管理方案的基础上,为局部无线传感网络的数据采集以及管理供应了有效可行的方法。监控系统实际上要实现这样一个检测过程：依据PM2.5在与电化学敏感材料的元件发生化学反应，通过电流、电量、电位和电阻等电化学参数的变化对气体进行检测，由气体传感器元件、放大电路、A/D转换电路以及ZigBee收发芯片构成检测装置,对PY2.5含量进行检测、数据分析、数据压缩、打包后，经ZigBee收发模块，单次或连续发送到中心监测计算机进行分析，对PM2.5浓度以曲线和数据方式显示，并超限报警，以及对相关数据进行存储管理或打印，对系统进行故障诊断的PM2.5的远程监测过程。整个系统包括三层结构，由ZigBee无线检测网络、嵌入式中继平台和Web监控平台组成。其中ZigBee无线检测网络包括ZigBee无线传感检测终端和ZigBee无线协调整点,每一个协调整点和若干个检测终端构成一个星型网络,对本局部环境中的传感器数据进行处理并通过串口将数据发送给嵌入式中继平台。Web监控平台和嵌入式中继平台之间采纳SNMP通信，实现对PM2.5的实时检测、分析预警和远程掌握功能。监控系统运行流程如图15o图15监控系统运行流程图