用GPRS技術(shù)傳送霧霾檢測數(shù)據(jù)的研究

陸昕宇+李天予+江柯+許書綿+沈萬里+沈行良

摘 要： 大氣污染導(dǎo)致的霧霾，已經(jīng)深度影響到了民眾的生活，大氣治理問題已經(jīng)受到各方的高度重視。溯本逐源，從源頭控制污染物的排放，加上末端的綜合治理，才是大氣污染防治的治本之策。大氣霧霾監(jiān)測系統(tǒng)利用霧霾檢測器和GPRS模塊數(shù)據(jù)傳送，將所在地霧霾情況實時監(jiān)測傳輸給手機(jī)APP終端，手機(jī)接收之后將數(shù)據(jù)整合顯示給使用者，達(dá)到霧霾監(jiān)測和提前應(yīng)對惡劣天氣的作用。

關(guān)鍵詞： STM32微型處理器； GPRS； 霧霾檢測

中圖分類號：TP242

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-2163（2017）02-0125-03

Abstract：Haze caused by air pollution has deeply impact on people's life， so great attention has been paid to atmospheric governance issues by the parties. Chasing back to the source， from the source controlling pollutant emissions， and at the end integrating the comprehensive treatment are the fundamental strategy for prevention and control of atmospheric pollution. In the big aerosol haze monitoring system， use fog detector and GPRS module to realize data transmission，real-time monitor haze situation of specified zone and transmit to mobile phone APP terminal， after receiving， display the results to the user for data integration， further achieve the fog monitoring and deal with bad weather ahead of time.

Keywords：STM32；GPRS； haze monitoring

0 引 言

由于霧霾天氣的時有發(fā)生，將直接影響到社會生產(chǎn)與生活，致使空氣質(zhì)量日益成為吸引人們矚目的熱點與焦點。霧霾是對大氣中各種懸浮顆粒物含量超標(biāo)的籠統(tǒng)表述，大氣中細(xì)顆粒物濃度的升高將直接導(dǎo)致霧中有毒有害物質(zhì)的大幅增加以及灰霾天氣發(fā)生頻率的連鎖遞增態(tài)勢。而經(jīng)研究可知，應(yīng)對霧霾污染、改善空氣質(zhì)量的首要任務(wù)即是檢測和控制大氣細(xì)顆粒物。顆粒對人的身體健康具有明顯負(fù)面效應(yīng)，因此人們越發(fā)留意霧霾指數(shù)，就像關(guān)注天氣預(yù)報一樣，人們需要實時的檢測來判斷今日是否應(yīng)采取“防護(hù)措施”，政府也需要依據(jù)霧霾指數(shù)來對城市大型工業(yè)進(jìn)行整治，意在提速發(fā)展的同時也能著力保護(hù)人類自身賴以生存的環(huán)境。本次研究即以STM32、GPRS為基礎(chǔ)，霧霾檢測器為輔，設(shè)計實現(xiàn)了低功耗、實時性強(qiáng)和使用方便的檢測系統(tǒng)。

1 總體設(shè)計方案

激光霧霾檢測技術(shù)以其獨特的優(yōu)勢，在本領(lǐng)域得到廣泛普及應(yīng)用，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電路也已日趨成熟，在一定程度上已經(jīng)可以替代濾膜稱重法、β射線法和震蕩天平法、以及衛(wèi)星遙感監(jiān)測，大幅降低成本。特別地，RS-232接口能方便地讀取數(shù)據(jù)。

PIC單片機(jī)連接霧霾傳感器、LCD、GPRS模塊，單片機(jī)先讀取霧霾傳感器的霧霾數(shù)據(jù)值，對收到的數(shù)據(jù)指定展開截取、運算、格式轉(zhuǎn)換，用GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)交由服務(wù)器加工處理，改進(jìn)組網(wǎng)的靈活性，擴(kuò)大了檢測范圍，提高采樣密度，通過增加檢測點，可以對整個區(qū)域霧霾狀況做到全面的掌控了解。

裝置設(shè)計時就考慮到大范圍的監(jiān)測系統(tǒng)，分布點多，密度高，而要橫跨一個幅員寬廣的區(qū)域，就會帶來通信成本的大幅增加。為了降低成本，研究中采用GPRS的方式來無線傳送數(shù)據(jù)，能簡捷便利地接入通信網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)傳輸速度快，實時性強(qiáng)。作為數(shù)據(jù)采集點，每個檢測點如果采集得越多，霧霾分布狀況就會得到遍及全局的統(tǒng)計展示；接收數(shù)據(jù)實時性強(qiáng)，能夠掌握霧霾發(fā)展的動向，便于及時探查霧霾的變化趨勢，為發(fā)布霧霾數(shù)據(jù)預(yù)報提供基礎(chǔ)重要依據(jù)。除此之外，還可以具體研發(fā)一個APP程序，充分利用手機(jī)實時接收霧霾的數(shù)據(jù)，便于支持實現(xiàn)工作和生活的安排，高效、快速地推進(jìn)霧霾預(yù)防工作和各類應(yīng)對措施的有利推廣展開。系統(tǒng)設(shè)計原理如圖1所示。

單片機(jī)PIC18F4520是整個系統(tǒng)控制的核心。利用攀藤科技PMS5003霧霾傳感器遵循激光散射原理，精確測量PM2.5濃度，并且低功耗、低成本。由霧霾傳感器檢測到的數(shù)據(jù)通過USART串口1傳輸給單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，這時數(shù)據(jù)會在系統(tǒng)版顯示器上控制得到輸出。單片機(jī)把霧霾傳感器接收到的數(shù)據(jù)在經(jīng)歷了處理和格式轉(zhuǎn)化進(jìn)程后，結(jié)果數(shù)據(jù)即通過串口2傳輸給GPRS模塊，此時GPRS模塊會通過無線電波將數(shù)據(jù)傳輸給電腦服務(wù)器，GPRS的數(shù)據(jù)傳送需要蜂窩網(wǎng)絡(luò)，中國在低空領(lǐng)域蜂窩網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了基本覆蓋，因此可以正常連接到GPRS網(wǎng)絡(luò)。

服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)將原始十六進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成十進(jìn)制，即預(yù)定提供霧霾數(shù)據(jù)發(fā)布讓使用者得知當(dāng)日霧霾指數(shù)，并顯示所在地各安置點霧霾區(qū)域的濃度指數(shù)繪圖；處理霧霾數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)拓展，傳遞更多有用的信息；在霧霾數(shù)據(jù)偏高的區(qū)域?qū)ふ椅廴驹矗瑫r提醒有關(guān)部門需于適當(dāng)時即轉(zhuǎn)入治理整治。

2 研究系統(tǒng)關(guān)鍵架構(gòu)分析

2.1 PIC18F4520單片機(jī)

單片機(jī)選用MICROCHIP公司出品PIC18F4520，CMOS 8位PIC系列單片機(jī)，芯片集成有A/D、內(nèi)部EEPROM儲存器、比較輸出、捕捉輸入、PWM輸出、I2C和SPI接口、CAN接口、異步串行通訊（USART）接口、FLASH程序儲存器等。配有較豐富的硬件資源和接口，方便地擴(kuò)展外設(shè)，根據(jù)要求分別連接LCD、按鈕霧霾傳感器和GPRS模塊等組成小型檢測系統(tǒng)，精簡指令易于整定編程。

2.2 傳感器模塊

關(guān)于霧霾傳感器的設(shè)置，研究中經(jīng)過反復(fù)比對，最終選取PMS5003作為監(jiān)測霧霾數(shù)據(jù)的傳感器。PMS5003是一款以經(jīng)濟(jì)型為亮點特色的霧霾傳感器，通過激光散射到空氣來測定空氣中懸浮顆粒物，折算到顆粒物質(zhì)量濃度。RS-232通訊接口輸出檢測到的霧霾數(shù)據(jù)，通過接口能方便地與計算機(jī)和單片機(jī)建立通訊。本傳感器可嵌入各種與空氣中懸浮顆粒物濃度相關(guān)的儀器儀表或環(huán)境改善設(shè)備，為其提供及時準(zhǔn)確的濃度數(shù)據(jù)。該模塊應(yīng)用原理的功能實現(xiàn)則如圖2所示。

2.3 GPRS模塊

GPRS技術(shù)的特點是數(shù)據(jù)傳輸速度快，數(shù)據(jù)傳送過程安全可靠，時間響應(yīng)性能良好，能實時地傳輸霧霾檢測的數(shù)據(jù)。對于大區(qū)域、大范圍、點分散的數(shù)據(jù)傳送，難以聯(lián)成數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，采用GPRS技術(shù)是一種理想通訊方法，認(rèn)證后將全程連線工作，按流量計費，而霧霾數(shù)據(jù)的字節(jié)量少，間斷式發(fā)送，這樣就大大降低運行成本。GPRS把各個分散的數(shù)據(jù)傳送到一點上，用一套終端設(shè)備就能收集所有的數(shù)據(jù)，降低了設(shè)備和人力成本，方便維護(hù)。

選用SIM900A模塊來設(shè)計定義GPRS功能，可有效保障霧霾傳感器采集的數(shù)據(jù)成功獲得遠(yuǎn)距離傳輸，SIM900A是一款緊湊型、高可靠性的GPRS無線模塊，采用SMT封裝的雙頻GSM/GPRS模塊解決方案，而且協(xié)同配置了功能強(qiáng)大的處理器ARM9216EJ-S內(nèi)核，能滿足低成本、緊湊尺寸的開發(fā)要求。這也正符合了本文設(shè)計的價格低廉但小巧實用的特性要求。在此，進(jìn)一步給出GPRS SIM900的原理結(jié)構(gòu)解析即如圖3所示。

3 GPRS與霧霾數(shù)據(jù)的分析

用GPRS通訊方式傳送霧霾數(shù)據(jù)，跨越了地域范圍，顯著優(yōu)勢特點即是擴(kuò)大了檢測區(qū)間，大幅增加檢測密度，可以對全國的霧霾狀況格局給出細(xì)致梳理與完整展現(xiàn)，便于研究霧霾的形成、運動方向、污染范圍、發(fā)展趨勢，并為其提供有效的數(shù)據(jù)支持。通過GPRS獲得的數(shù)據(jù)具有強(qiáng)大的實時性，而且從時間段和區(qū)域范圍方面可獲得充足數(shù)據(jù)量，不需要自行組建傳輸網(wǎng)絡(luò)，大幅降低成本。通過GPRS通訊，把大量數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器上保存，使全國范圍的霧霾數(shù)據(jù)匯總集結(jié)在一起，把歷史的數(shù)據(jù)規(guī)范統(tǒng)一并整合在服務(wù)器上，形成大數(shù)據(jù)，為后期處理建立了良好信息基礎(chǔ)，進(jìn)而用來參與構(gòu)成霧霾監(jiān)測分析系統(tǒng)?？梢钥闯觯瑧?yīng)用GPRS技術(shù)來傳送霧霾檢測數(shù)據(jù)，把采集數(shù)據(jù)指定存儲作為大數(shù)據(jù)，以此為共享支撐數(shù)據(jù)源來設(shè)計研發(fā)空氣污染物擴(kuò)散模型，同時又融入人工智能、專家系統(tǒng)來升級探討霧霾狀況，對分析霧霾的形成、變化趨勢、預(yù)報、治理等發(fā)揮著切實重要的關(guān)鍵作用。主要功能內(nèi)容可闡釋如下：

1）采集全國各地或區(qū)域的AQI數(shù)據(jù)，通過GPRS傳送至一調(diào)控服務(wù)器，為霧霾分布狀況配置基礎(chǔ)必要數(shù)據(jù)，以此來分析霧霾的發(fā)展趨勢、變化軌跡和影響程度，為預(yù)報和決策提供依據(jù)。

2）經(jīng)過一段時間的存儲記錄，形成了檢測大數(shù)據(jù)，能對全國、某城市和區(qū)域分別以時間、地區(qū)為橫軸將霧霾數(shù)據(jù)變化展開對比研究，用以顯示剖析治理前后的變化效果如何，進(jìn)而探尋發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生原因。

3）關(guān)于采集的大量數(shù)據(jù)，可以靈活選擇諸如多個區(qū)域的霧霾數(shù)據(jù)列表、霧霾濃度柱狀圖、趨勢曲線等各種定制方式進(jìn)行效果需求偏好展現(xiàn)。

3 結(jié)束語

近年來，空氣霧霾現(xiàn)象的出現(xiàn)使得環(huán)境治理日益成為社會焦點話題。環(huán)境問題成為人類健康的困擾性威脅，在一定程度上影響了人們的日常出行和生產(chǎn)生活。國家也積極采取措施，管控霧霾的發(fā)展，首要課題即需解決對霧霾的實效檢測，小范圍霧霾檢測顯然并非良策，必須要在全國范圍來實時檢測霧霾數(shù)據(jù)，才能優(yōu)化治理和預(yù)報霧霾。本研究即應(yīng)用GPRS通訊技術(shù)，設(shè)計提出全國范圍實時霧霾數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)連貫性的可行性操作分析，對霧霾的遷移規(guī)律掌控、準(zhǔn)確預(yù)報、治理和建立大型霧霾數(shù)據(jù)庫提供必要實施條件。并且，隨著霧霾大數(shù)據(jù)庫分析水平的不斷改進(jìn)、數(shù)據(jù)的精確采集，空氣質(zhì)量的綜合治理方案必將日趨科學(xué)、完備。

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