王畅 屈巍

摘 要：本文提出一种可以实现空气质量实时监测的系统设计方案，构建起基于无线传感器网络的空气质量监测系统。在说明该系统关键技术的基础上，从传感器子系统、用户监测移动端子系统、数据库系统这三个子功能系统入手，阐述了该基于无线传感器网络的空气质量监测系统的设计方案。

关键词：无线传感器网络;空气质量监测系统;互联网+物联网

近几年来，物联网技术、感知技术、云计算服务的迅速发展，在这样的背景下，智慧城市已然成为城市发展的主流趋势。其中，基于无线传感器网络的空气质量监测系统的研究是智慧城市建设的重要内容之一，对空气质量监测的深入研究是不可或缺的。特别是在大气污染情况愈加严峻的今天，开发一种可以实现空气质量实时监测的系统极为必要。

一、基于无线传感器网络的空气质量监测系统的关键技术

（一）部署为单片机stm32控制的空气污染监测传感器

空气污染数据收集，部署为单片机stm32控制的空气污染监测传感器，stm32具有3种低功能模式，是一种功耗较低的单片机。数据收集节点（所谓传感器节点）的硬件设计部分主要由电源电路、微处理器、空气污染检测传感器、无线模块、595数码管等级显示等模块组成。通过无线模块，将采集的数据送到数据处理中心，通过编程处理，得出该区域监测结果，反映给系统用户。

（二）互联网+物联网与Android技术相结合

物联网技术是将任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、追踪、监控和管理的一种网络技术。Android的出现在不久的时间内之所以能取得这么大的成功就是因为其具有开源性，并且拥有很好的界面，尤其适合进行人机交互界面的设计。采用互联网+物联网技术结合android平台设计，使得基于无线传感器网络进行空气质量监测系统的设计成为可能。

（三）基于无线传感器网络的空气质量监测的启发式算法

在本次系统设计中，主要提出了一种部署方法，使节点的部署成本最小化，同时保证所需的同化质量和传感器网络的连接性。在基于数据同化定义的空气污染环境地图下运用适当的数学公式;使用空气质量映射的公式定义一个使用混合整数线性规划的部署模型;分析优化模型的计算复杂度，最终形成一种基于线性松弛的启发式算法。

二、基于无线传感器网络的空气质量监测系统的设计方案

（一）传感器子系统设计

在数据采集中，主要目的在于实时生成准确的污染地图。在这项工作中，笔者提出了基于物理模型来模拟污染扩散的空气污染地图的绘制，考虑数据同化的应用案例，用于修正基于传感器测量的物理模型。在启发式算法中，引入了一种新的部署方法，使节点的部署成本最小化，同时保证所需的同化质量和传感器网络的连接性。在基于数据同化定义的空气污染环境地图下运用适当的数学公式;使用空气质量映射的公式定义一个使用混合整数线性规划的部署模型;分析优化模型的计算复杂度，最终形成一种基于线性松弛的启发式算法。在监测污染系统所得数据的验证过程中，将得到的结果与已经经过证明可靠性的系统进行比较，验证传感器子系统在能量减少的实效性，以及监测所获数据的可靠性。在数据传输中，将测量的结果通过wifi模块传送到服务器中数据库中，并根据传送数据的不同进行分类形成表格，方便用户查询。

（二）用户监测移动端子系统设计

在系统需求分析中，分析用户所需的污染物，便于搜集统计污染物浓度信息。在用户界面中，建立良好的用户登录、用户注册、删除用户界面和机制，便于用户登录查询信息。在后台运用合理的算法，方便数据的快速查询和数据的有效组织。在系统完善化方面，需要查阅关于空气污染监测专门设计的用户系统，经过实际模拟验证各种用户系统的优点与不足，在查阅相关资料，对空气污染监控系统在用户系统设计的实际调度、智能程度规划进行填补。

（三）数据库系统设计

在数据库设计中，记录收集到的数据，做好完整的数据分析、视图。便于管理员管理，更新数据。在实际实践阶段得到管理员反馈并维护。需求收集和分析，结果得到数据字典描述的数据需求（和数据流图描述的处理需求）。

通过对用户需求进行综合、归纳与抽象，形成一个独立于具体DBMS的概念模型，可以用E-R图表示。为逻辑数据模型选取一个最适合应用环境的物理结构（包括存储结构和存取方法）。运用DBMS提供的数据语言（例如SQL）及其宿主语言（例如C），根据逻辑设计和物理设计的结果建立数据库，编制与调试应用程序，组织数据入库，并进行试运行。数据库应用系统经过试运行后即可投入正式运行。在数据库系统运行过程中必须不断地对其进行评价、调整与修改。

总结

当前，智慧城市已然成为城市发展的主流趋势，对空气质量监测的深入研究是不可或缺的。特别是在大气污染情况愈加严峻的今天，开发一种可以实现空气质量实时监测的系统极为必要。通过互联网+物联网、Android技术等关键技术的应用，组建起传感器子系统、用户监测移动端子系统、数据库系统，实现了基于无线传感器网络的空气质量监测系统的开发设计。

参考文献：

[1]A.Boubrima， W.Bechkit， and H.Rivano，“Optimal wsn deployment models for air pollution monitoring，” IEEE Transactions on Wireless Communications， vol.66， no.5， pp.2723-2735， 2017.

[2]Ahmed Boubrima， Walid Bechkit， and Herve Rivano. Optimal wsn deployment models for air pollution monitoring. IEEE TWC 2017.

作者簡介：

姓名（出生年、性别）：王畅，籍贯：山东省安丘市，职称和学历：本科（学历），研究方向或专业：网络工程（专业）。

第二作者：屈巍。