梅志坚，马娅婕,肖凡男

(武汉科技大学信息科学与工程学院，湖北 武汉，430081)

基于ZigBee和GPRS的大气污染监测系统设计

梅志坚，马娅婕,肖凡男

(武汉科技大学信息科学与工程学院，湖北 武汉，430081)

设计一种基于ZigBee和GPRS的大气污染监测系统，该系统由资源层、中间层和应用层3部分组成。资源层采用ZigBee模块作为无线组网模块，利用STM32F107单片机作为控制芯片，与传感器一起组成一个监测节点；传感器采集的数据经过单片机处理后，以串行通信协议发给ZigBee模块，再通过无线传感器网络发送到数据集中器；集中器由ZigBee模块、单片机和GPRS模块组成，集中器将收到的数据通过GPRS模块发送给服务器，并实时存入数据库。中间层负责对传感器网络进行管理。应用层通过中间层对数据库进行访问，得到相关的监测信息并对空气质量状况做出报道。

大气污染监测；无线传感器网络； ZigBee；GPRS；集中器

随着我国工业化和城市化进程的不断加快，大气环境也受到了严重的影响。各种大气污染物的排放量持续增加，特别是近年来各大城市出现的雾霾天气，对人类的生存和发展造成了一定的威胁。因此，建立一个完善的大气污染监测系统刻不容缓[1]。

在实际工作中，随着大气污染监测项目的增多、监测范围的扩大、点位的密布，人工监测已难以满足要求。现有的大气污染监测网络大多局限于通过电话线的点对点式通信，缺少利用无线网络实现监测站间的横向联系，尤其是对于需要多部门合作解决的大气污染问题，较少应用远程无线技术。而目前我国的大气污染自动监测系统基本上依靠引进国外技术及设备来完成，不但价格昂贵，且跟我国的具体情况结合不够，尤其是在系统结构、数据采集、远程控制与诊断方面同国内的实际需求相差甚远。

为了解决上述问题，本文提出基于无线传感器网络[2]的大气监测系统设计方案，拟采用ZigBee和GPRS无线通信技术[3]，完成大气污染连续自动监测系统的改进。

1 系统总体方案设计

大气污染监测系统为3层结构：资源层、中间层及应用层[4]，如图1所示。

(1)资源层：这是系统设计中的最底层，负责系统中所有的硬件管理，包括传感器组网、数据的采集、存储及传输等。各个传感器进行监测时都会对相关信息进行记录保存(例如监测时间、地点、检测物类型、含量等)，这些信息最终会实时存入服务器中的数据库，形成报表文件，便于上层调用。

(2)中间层：这是管理传感器网络体系结构的核心层。该层主要完成执行管理、分布式数据挖掘和传感器注册表控制等功能。

(3)应用层：通过中间层，应用层可以获取资源层的信息，即允许应用程序访问数据库中存储的关于监测信息的数据，并将这些数据调用到自己的程序中。操作人员可以登录服务器，获取数据库中所需要的数据，进行相关处理。例如，可以将某地某段时间范围内某种污染物的含量变化用曲线图形式表示出来，这样就能很直观地了解到各地的空气污染状况。

2 硬件设计

2.1 系统硬件

大气污染监测系统的硬件结构如图2所示。硬件系统共分为3个部分：ZigBee传感器网络、服务器和应用终端。ZigBee传感器网络(资源层)实现大气污染数据的采集、存储、网络内数据的传输以及通过GPRS将数据发送给服务器；服务器(中间层)实现数据的接收，并进行存储和分析处理；应用终端(手机或个人电脑，应用层)可以访问服务器并根据不同需求获取相关数据。

ZigBee传感器网络由传感器监测节点、路由器和集中器3个部分组成[5]，其中集中器是ZigBee传感器网络的中心节点。

(1)传感器监测节点：在整个大气污染监测系统中，传感器监测节点主要负责采集各种传感器的数据(包括PM2.5、臭氧、二氧化硫、一氧化氮等的浓度以及温度和湿度等)，汇总并按照ZigBee传输协议发送给路由器，或接收从路由器传达的采集命令并执行操作。

(2)路由器：为了增强ZigBee网络的稳定性而加入到网络中的设备，其主要功能是实现网络中数据的中转，既要与监测节点通信，接收传感器节点发过来的数据，又要与集中器通信，将数据传给集中器，为不能直接通信的各个节点提供无线中继转发功能，保证数据稳定顺畅地传输到集中器上[6]。

(3)集中器：每个ZigBee网络中只有一个集中器，它负责管理整个网络，汇集网络中所有传感器采集的数据，存储并通过GPRS模块将所有数据发送给服务器，也可以接收服务器下达的命令，并转发给网络中的各个节点。

2.2 传感器节点硬件

传感器节点由STM32F107单片机、传感器、信号处理电路、电源模块和ZigBee模块5个部分组成[7]，如图3所示。

传感器采集的大气污染数据通过信号处理电路放大，再传给STM32F107单片机进行处理；STM32F107先把接收的数据通过内部自带的12位A/D转换器进行处理，然后通过换算得出污染物的浓度值，再由串口发给ZigBee模块，ZigBee模块通过天线将数据发出；电源模块负责给整个系统供电。

本系统中采用的ZigBee模块为DIGI公司的XBee-POR模块。该模块的工作频段为ISM 2.4 GHz，其具有成本低、功耗低、硬件集成度高等特点，广泛应用于无线抄表、智能家居等多个领域。每个模块均可配置为集中器、路由器或终端节点，并可通过免费软件X-CTU利用AT和API两种命令模式对模块进行配置和调试。

2.3 集中器节点硬件

集中器节点不仅要通过ZigBee网络与传感器节点通信，还要通过GPRS与服务器进行通信，它是整个监测系统中的重要部分。集中器节点由ZigBee模块、STM32F107单片机、数据存储模块、GPRS模块和电源模块组成，如图4所示。

集中器通过ZigBee网络接收传感器节点采集到的数据，将数据保存到存储模块中，并由GPRS模块发送至服务器。STM32F107单片机作为主控制器，它的两个串口分别与ZigBee模块和GPRS模块相连[8]。

GPRS可以进行远距离无线通信，覆盖范围广，传输数据效率高[9]。本系统利用它来实现ZigBee传感器网络与服务器之间的远距离数据传输。设计中采用华为MG323模块作为GPRS模块，该模块具有尺寸小、功耗低、传输速率高等特点，单片机通过AT命令与其通信[10]。

3 软件设计

3.1 系统软件设计

整个系统软件包括资源层软件、中间层软件和应用层软件，其中资源层软件负责数据采集处理和数据传输，中间层软件负责数据存储及分析，应用层软件负责数据显示[11]。系统软件流程如图5所示。

(1)数据采集处理主要包括单片机控制A/D转换、数据处理、数据存储等过程。

(2)数据传输主要包括ZigBee网络中各个节点之间的通信、数据集中器通过GPRS与外部服务器之间的通信等。

(3)数据存储及分析主要是基于数据库的存储与分析，通过对传感器采集的大量数据进行管理、分析、数据挖掘等工作来提取有用信息。

(4)数据显示主要是制作一个上位机交互软件，观测者可以通过操作软件了解大气污染监测的各种数据，包括历史数据、实时数据及未来的变化趋势等。

3.2 集中器软件设计

本系统的核心部分数据集中器的软件流程如图6所示。系统首先进行上电初始化，然后监听服务器命令，当收到发送给集中器的命令时，集中器进行相应处理；采集数据时，如果发现网络中有数据传过来，则集中器开始接收数据，接收完成后通过串口将数据发送给GPRS模块，再由GPRS模块发送到服务器中，集中器一直处于工作状态。

3.3 组网状态测试

在上位机上运行串口调试助手，设置波特率、数据位、停止位等参数，在终端节点一端以“0x00+传感器编号+采集时间+采集数据+0xFF”的格式发送到集中器节点，由于采集数据中带有小数，所以将数据统一放大一定倍数按十六进制发送，数据发送到服务器后统一转换为十进制后再处理。集中器一端的串口调试助手中接收的数据如图7所示。测试结果验证了系统组网传输的可行性。

4 结语

本系统采用ZigBee和GPRS无线通信技术，为大气污染监测系统的建设提供了一种方便、灵活的解决方案。采用高性能Cortex-M3处理器STM32芯片作为主控制器，增强了系统的处理能力。该系统具有成本低、功耗小、无需布线、覆盖范围广、采集数据量大、传输速率和精确度高、能实时在线监测等优点，解决了大气污染的大范围、实时、长期、在线监测难题，具有良好的开发性和较高的实用价值。

[1] 彭刚华, 梁富生, 夏新. 环境监测质量管理现状及发展对策初探[J]. 中国环境监测, 2006,22(2):46-50.

[2] 马祖长, 孙怡宁, 梅涛.无线传感器网络综述[J]. 通信学报, 2004,25(4):114-124.

[3] 周怡窹, 凌志浩, 吴勤勤. ZigBee无线通信技术及其应用探讨[J]. 自动化仪表，2005,26(6):5-9.

[4] Ma Y, Richards M, Ghanem M, et al. Air pollution monitoring and mining based on sensor grid in London[J]. Sensors, 2008,8(6):3601-3623.

[5] 张兵, 林建辉, 伍川辉. 基于ZigBee技术无线传输网络的设计与实现[J]. 仪表技术与传感器, 2009(2):49-52.

[6] 周武斌，罗大庸. ZigBee 路由协议的研究[J]. 计算机工程与科学, 2009，31(6)：12-14,29.

[7] 于晅, 傅家祥, 肇云波. 基于GPRS与ZigBee的智能家居设计[J]. 单片机与嵌入式系统应用, 2007 (1):50-52.

[8] 张祖昶, 许建真, 钱辉兵,等. 基于GPRS的环境测控系统的设计与实现[J]. 中国新通信,2006(15):52-55.

[9] 张京江, 江武鹏, 张朝林, 等. GPRS/CDMA无线通信技术在GPS数据传输中的应用[J]．气象科技，2007，35(1)：139-142．

[10]刘峰，韩春燕，林浒. 基于嵌入式TCP/IP的远程GPRS控制终端的设计与实现[J].小型微型计算机系统，2006，27(6)：1069-1071.

[11]刘映辉,樊晓平,张纯和,等. 基于ZigBee技术的无线数据采集系统设计[J]. 工业控制计算机,2008,21(8):5-7.

[责任编辑 尚 晶]

Design of air pollution monitoring system based on ZigBee and GPRS

MeiZhijian，MaYajie，XiaoFannan

(College of Information Science and Engineering, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China)

An air pollution monitoring system was designed based on ZigBee and GPRS, which consists of resource layer, middle layer and application layer. The ZigBee module is chosen in the resource layer to be the wireless networking module. STM32F107 microcontroller is used as the central control chip, which, together with sensors, constructs a monitoring node. The data collected from sensors are processed by the microcontroller first and then sent to the ZigBee module by serial communication protocol. After that, wireless sensor network transmits the data to data concentrator, which is composed of Zigbee module, microcontroller and GPRS module. The data concentrator relays the data to remote server by GPRS, which are deposited in real time into the database.The middle layer is responsible for the management of sensor network.Application layer accesses the database through the middle layer,obtaining related monitoring information and reporting the status of air quality.

air pollution monitoring; wireless sensor network; ZigBee; GPRS; concentrator

2014-04-16

国家自然科学基金资助项目(61104215)；教育部留学回国人员科研启动基金资助项目.

梅志坚(1987-)，男，武汉科技大学硕士生.E-mail：mzj5062@163.com

马娅婕(1974-)，女，武汉科技大学教授.E-mail：mayajie@wust.edu.cn

TP277；X84

A

1674-3644(2015)01-0063-04