CN106198335A - 一种大气扬尘监控预警系统 - Google Patents

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CN106198335A CN201610574792.2A CN201610574792A CN106198335A CN 106198335 A CN106198335 A CN 106198335A CN 201610574792 A CN201610574792 A CN 201610574792A CN 106198335 A CN106198335 A CN 106198335A
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陈鸣
朱小曼
卜现亭
王庆九
陈森
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Abstract

本发明公开了一种大气扬尘监控预警系统，包括数据采集部分和Web系统平台；数据采集部分有采集节点和汇聚节点：采集节点作为终端节点，负责扬尘数据的采集部分，并将采集得到的信号进行处理得到最原始的数据，然后通过Zigbee模块将这些数据发送到汇聚节点；所述汇聚节点将所有数据传送到Web系统平台部分。本发明一种大气扬尘的监控预警系统，该系统具有较高精确性，较高全面性，较高稳定性和较高智能化。

Description

一种大气扬尘监控预警系统
技术领域
本发明涉及一种大气扬尘监控预警系统，属于大气扬尘监测技术领域。
背景技术
随着时代的进步和城市的发展，人们的生活在变的更加便利的同时也对环境造成了比较严重的污染，特别是城市基础设施的开发建设越来越快对城市的空气质量造成了很大污染，在过去的很长一段时间里，雾霾天气严重影响了人们正常的工作和生活，给人们的身体健康造成了危害。然而在治理污染之前，我们必须对污染源头进行长期可靠的监控，在得到第一手数据之后，才能够制定出有效的治理方案。
目前，还没有具有较高精确性，较高全面性，较高稳定性的专门针对大气扬尘的监控预警系统。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述现有技术存在的问题，提出一种大气扬尘的监控预警系统，该系统具有较高精确性，较高全面性，较高稳定性和较高智能化。
本发明技术方案如下：本发明一种大气扬尘监控预警系统，包括数据采集部分和Web系统平台部分；数据采集部分有采集节点和汇聚节点：采集节点作为终端节点，负责扬尘数据的采集部分，并将采集得到的信号进行处理得到最原始的数据，然后通过Zigbee模块将这些数据发送到汇聚节点；所述汇聚节点将所有数据传送到Web系统平台部分。
进一步地，所述采集节点包括单片机、单片机开发板、无线模块、灰尘传感器和Zigbee模块；所述单片机和无线模块设置在单片机开发板上；所述无线模块、灰尘传感器和Zigbee模块均与单片机相连。
进一步地，所述灰尘传感器采用DSM501A颗粒物浓度传感器，DSM501A颗粒物浓度传感器由韩国SYHITECH公司发明，是一个采用内置加热器吸入空气依据粒子计数的原理进行测量，通过PWM脉宽调制输出的一款传感器，最低可检测1微米的粒子。
进一步地，所述单片机的型号为STC89C52RC，STC89C52RC单片机是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8k字节Flash512字节RAM，定时器，内置4KBEEPROM，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，全双工串行口。
进一步地，所述STC89C52RC单片机采用了只具有一个串口。
进一步地，所述单片机开发板采用51单片机开发板，自带5v电源输入口，可以放入STC型号单片机，有3.3v电源转换输出口，4个按键，8个LED灯以及4个LED显示屏；所述无线模块采用cc1101无线模块。
进一步地，所述汇聚节点包括单片机、单片机开发板、无线模块、SIM300模块和Zigbee模块；所述单片机和无线模块设置在单片机开发板上；所述无线模块、SIM300模块和Zigbee模块均与单片机相连。
进一步地，所述单片机采用STC12C5A60S2型号的单片机，STC12C5A60S2单片机是STC生产的高速，低功耗，超强抗干扰的8051单片机，指令代码完全兼容传统8051工作电压5.5V-3.3V，集成1280字节RAM，有EEPROM功能，共4个16位定时器，两个与传统8051兼容的定时器/计数器，16位定时器T0和T1，有独立波特率发生器，做串行通讯的波特率发生器，有双串口。
进一步地，所述SIM300模块为GPRS模块，GPRS模块采用低功耗设计，通过GPRS或短消息方式远程传输数据，使用时需要放入SIM卡，双串口配置：1路RS485，2路RS232。自适应波特率，默认波特率为9600Bit/S。
进一步地，所述单片机开发板采用51单片机开发板，有3.3v电源转换输出口，4个按键，8个LED灯以及4个LED显示屏；所述无线模块采用cc1101无线模块。
本发明针对当今社会大众实际需要，针对一类重要大气颗粒物污染源—工地扬尘，开展了相关的研究探索，开发了基于传感器网络的工地扬尘监控系统原型，实现对工地扬尘污染信息的实时监控，使管理人员可以通过网站对服务器进行访问，实现对地区环境数据查看、统计和分析等功能。
本发明分为两个部分，即数据采集部分和Web系统平台部分。数据采集部分有采集节点和汇聚节点：采集节点作为终端节点，负责扬尘数据的采集部分，并将采集得到的信号进行处理得到最原始的数据，然后通过Zigbee模块将这些数据发送到汇聚节点；汇聚节点具有收集、存储所有采集节点数据的功能，除此以外还具有整个无线传感器网络中网关的功能，它负责将所有的数据通过SIM卡模块发送到服务器，所以，是数据采集部分与服务器进行数据交互的枢纽部分，同时，汇聚节点具有控制整个工地所有采集节点的功能。Web系统部分能够实时展示城市的PM2.5、PM10和AQI等空气质量数据，
本发明一种大气扬尘的监控预警系统，该系统具有较高精确性，较高全面性，较高稳定性和较高智能化。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明采集节点连接示意图。
图2为本发明采集节点状态图。
图3为本发明汇聚节点连接示意图。
图4为本发明汇聚节点状态图。
图5为本发明整个系统的数据类图。
具体实施方式
如图1和3所示，本发明一种大气扬尘监控预警系统，包括数据采集部分和Web系统平台部分；数据采集部分有采集节点和汇聚节点：采集节点作为终端节点，负责扬尘数据的采集部分，并将采集得到的信号进行处理得到最原始的数据，然后通过Zigbee模块将这些数据发送到汇聚节点；所述汇聚节点将所有数据传送到Web系统平台部分。
本发明所述采集节点包括单片机、单片机开发板、无线模块、灰尘传感器和Zigbee模块；所述单片机和无线模块设置在单片机开发板上；所述无线模块、灰尘传感器和Zigbee模块均与单片机相连。所述灰尘传感器采用DSM501A颗粒物浓度传感器，DSM501A颗粒物浓度传感器由韩国SYHITECH公司发明，是一个采用内置加热器吸入空气依据粒子计数的原理进行测量，通过PWM脉宽调制输出的一款传感器，最低可检测1微米的粒子。所述单片机的型号为STC89C52RC，STC89C52RC单片机是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8k字节Flash512字节RAM，定时器，内置4KB EEPROM，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，全双工串行口。所述STC89C52RC单片机采用了只具有一个串口。所述单片机开发板采用51单片机开发板，自带5v电源输入口，可以放入STC型号单片机，有3.3v电源转换输出口，4个按键，8个LED灯以及4个LED显示屏；所述无线模块采用cc1101无线模块。
本发明所述汇聚节点包括单片机、单片机开发板、无线模块、SIM300模块和Zigbee模块；所述单片机和无线模块设置在单片机开发板上；所述无线模块、SIM300模块和Zigbee模块均与单片机相连。所述单片机采用STC12C5A60S2型号的单片机，STC12C5A60S2单片机是STC生产的高速，低功耗，超强抗干扰的8051单片机，指令代码完全兼容传统8051工作电压5.5V-3.3V，集成1280字节RAM，有EEPROM功能，共4个16位定时器，两个与传统8051兼容的定时器/计数器，16位定时器T0和T1，有独立波特率发生器，做串行通讯的波特率发生器，有双串口。所述SIM300模块为GPRS模块，GPRS模块采用低功耗设计，通过GPRS或短消息方式远程传输数据，使用时需要放入SIM卡，双串口配置：1路RS485，2路RS232。自适应波特率，默认波特率为9600Bit/S。所述单片机开发板采用51单片机开发板，有3.3v电源转换输出口，4个按键，8个LED灯以及4个LED显示屏；所述无线模块采用cc1101无线模块。
本发明针对当今社会大众实际需要，针对一类重要大气颗粒物污染源—工地扬尘，开展了相关的研究探索，开发了基于传感器网络的工地扬尘监控系统原型，实现对工地扬尘污染信息的实时监控，使管理人员可以通过网站对服务器进行访问，实现对地区环境数据查看、统计和分析等功能。
本发明分为两个部分，即数据采集部分和Web系统平台部分。数据采集部分有采集节点和汇聚节点：采集节点作为终端节点，负责扬尘数据的采集部分，并将采集得到的信号进行处理得到最原始的数据，然后通过Zigbee模块将这些数据发送到汇聚节点；汇聚节点具有收集、存储所有采集节点数据的功能，除此以外还具有整个无线传感器网络中网关的功能，它负责将所有的数据通过SIM卡模块发送到服务器，所以是数据采集部分与服务器进行数据交互的枢纽部分，同时，汇聚节点具有控制整个工地所有采集节点的功能。Web系统部分能够实时展示城市的PM2.5、PM10和AQI等空气质量数据，
本发明一种大气扬尘的监控预警系统，该系统具有较高精确性，较高全面性，较高稳定性和较高智能化。
本发明针对当今社会大众实际需要，针对一类重要大气颗粒物污染源—工地扬尘，开展了相关的研究探索，开发了基于传感器网络的工地扬尘监控系统原型，实现对工地扬尘污染信息的实时监控，使管理人员可以通过网站对服务器进行访问，实现对地区环境数据查看、统计和分析等功能。
在整个系统当中，采集节点是用于提供数据的节点，因此也是非常关键的节点。采集节点作为终端节点，负责扬尘数据的采集部分，并将采集得到的信号进行处理得到最原始的数据，然后通过Zigbee模块将这些数据发送到汇聚节点，统一发送给服务器。DSM501A粉尘浓度传感器在上电之后就会进行数据采集，并且将采集到的粉尘浓度数据通过脉冲信号(PWM)进行输出。而GP2Y1010AU0F粉尘浓度传感器在上电之后需要进行脉冲驱动才能够完成数据采集，并且数据采集完成之后输出的为电压信号，需要通过数模转换才能够被单片机识别。本系统将使用DSM501A传感器。由于采集节点只需要通过串口和Zigbee模块进行通信，因此，采集节点的单片机采用了只具有一个串口的STC89C52RC型号的单片机，由于该单片机功能相对汇聚节点所使用的单片机的功能来说更为简单，因此在价格上也更为低廉，从而节省了节点在部署时的成本。
在整个数据采集部分当中，汇聚节点起着非常关键的作用。汇聚节点不仅具有收集、存储所有采集节点数据的功能，还具有整个无线传感器网络中网关的功能，它负责将所有的数据通过SIM卡模块发送到服务器，所以，是数据采集部分与服务器进行数据交互的枢纽部分，同时，汇聚节点具有控制整个工地所有采集节点的功能。由于汇聚节点在发送给服务器的数据当中需要含有所监测的施工区域的信息，因此，在部署汇聚节点之前需要使用节点管理部分所提供的工具进行设置，将所要监测的施工区域的信息录入到汇聚节点当中，这其中也包含了所要监测的施工工地的所有采集节点的信息。又因为采集节点与汇聚节点的通信方式是依靠Zigbee模块的，因此，在组网的过程当中有可能出现采集节点没有办法加入网络的情况，因此，汇聚节点还需要提供组网的功能，用来显示该施工区域的节点是否都已经加入到了有当前汇聚节点所建立的Zigbee网络当中。汇聚节点使用的是STC12C5A60S2型号的单片机，该单片机具有两个串口，其中一个串口用来连接Zigbee节点，另一个串口用来连接SIM卡模块。
本发明整个监控方案设计如下：
1、布点原则
(1)采集节点
①布点位置四周应通风良好采集节点中的颗粒物浓度传感器是通过吸入空气来对其中颗粒物进行计数的，因此采集节点部署应选择四周通风良好的位置；
②布点位置应离地面有一定高度依据采集节点中的颗粒物浓度传感器工作原理，采集节点应距离地面有一定的高度，保证采集节点的正常工作；
③布点位置应考虑人工操作可行性采集节点启动工作，或者正常工作中产生异常都需要人工进行手动操作，因此采集节点布设位置应方便人工操作；
④布点位置应考虑电源供给采集节点可以通过电池或是电源进行供电，但是电池供电时间不长，如果需要采集节点长期稳定工作，则需要电源供电，因此采集节点布设位置在设置时应考虑电源的供给。
(2)汇聚节点
①布点位置应通信良好汇聚节点主要起到采集节点和监控平台之间的桥梁作用，汇聚节点能否正常通信关系到整个系统能否正常工作，因此汇聚节点需要布设在通信良好的位置；
②布点位置应考虑人工操作可行性汇聚节点启动工作，或者正常工作中产生异常都需要人工进行手动操作，因此汇聚节点布设位置应方便人工操作；
③布点位置应考虑通信距离和范围汇聚节点需要接收采集节点发送过来的数据信息，1个汇聚节点最多可容纳64个采集节点，此外汇聚节点与采集节点距离应控制在200米范围内，以保障通信顺畅。
④布点位置应考虑电源供给汇聚节点可以通过电池或是电源进行供电，但是电池供电时间不长，如果需要汇聚节点长期稳定工作，则需要电源供电，因此汇聚节点布设位置在设置时应考虑电源的供给。
2、布点方案
本系统所设计的采集节点、汇聚节点成本较低，适用于大规模部署，可部署在单个独立的建筑工地(含堆场)。
采集节点的部署，在建筑工地(含堆场)部署时，采集节点首先可选择在建筑工地(含堆场)的上下风向进行部署，在建筑工地进行部署时应同时选择在靠近易产生扬尘污染的作业区域的工地边界进行部署。此外，建筑工地采集节点的部署应按照施工工期的推进，易产生扬尘污染的作业区域的发生变化而及时进行相应的调整。
汇聚节点的部署，可依据建筑工地(含堆场)规模，采用单个或多个汇聚节点进行部署。汇聚节点部署时应保障汇聚节点和采集节点间的通信畅通(系统设定1个汇聚节点最多可容纳64个采集节点，汇聚节点与采集节点距离应控制在200米范围内)。
图2显示了本发明采集节点状态图。采集节点共有五种状态，其中包括Setting、Waiting、Networking、Start/Sleep和Start/Working。通过按Key1可以从waiting状态转换为Setting状态，此时可以设置采集节点ID。在Setting状态下按Key4或在Waiting状态下按Key3即可切换到Networking状态。在与汇聚节点组网成功后，即可转为Start/Sleep状态，等待汇聚节点发来工作指令，此状态能与Start/Working相互转换，在Start/Working状态灰尘传感器开始工作，采集数据，并将数据发送给汇聚节点。(此处的Key1，Key2，Key3和Key4均为51单片机最小开发板上的按键)
采集节点ID设置：设置采集节点ID的步骤如下所示(此处的Key1，Key2，Key3和Key4均为51单片机最小开发板上的按键)：
①打开开发板电源，进入初始状态(指示灯点亮)。
②按下Key1(指示灯变化)，进入设置模式，擦除以前ID。
③设置模式下，按Key1ID加1，按Key2ID加5，按Key3ID加10(设置时指示灯不会变化)。
④设置完毕后，按下Key4(指示灯变化)确认。回到初始状态。
采集节点工作设置：设置采集节点正常工作的步骤如下所示(此处的Key1，Key2，Key3和Key4均为51单片机最小开发板上的按键)：
①打开开发板电源，进入初始状态(指示灯点亮)。
②设置ID按下Key1(指示灯变化)，进入设置模式(见上节)。之前设置过的话之间到步骤③。
③按键3(指示灯变化)进入组网模式。向汇聚节点循环发送节点的ID。
④等待汇聚节点发回成功消息，成功后指示灯熄灭。
⑤收到汇聚节点工作指令时指示灯重新点亮。
⑥完成后不需要再进行其他操作。
针对大气扬尘监控预警系统，该系统分为两个部分，即数据采集部分和Web系统平台部分。数据采集部分有采集节点和汇聚节点：采集节点作为终端节点，负责扬尘数据的采集部分，并将采集得到的信号进行处理得到最原始的数据，然后通过Zigbee模块将这些数据发送到汇聚节点；汇聚节点具有收集、存储所有采集节点数据的功能，除此以外还具有整个无线传感器网络中网关的功能，它负责将所有的数据通过SIM卡模块发送到服务器，所以，是数据采集部分与服务器进行数据交互的枢纽部分，同时，汇聚节点具有控制整个工地所有采集节点的功能。Web系统部分能够实时展示城市的PM2.5、PM10和AQI等空气质量数据。
图4为本发明汇聚节点状态图。汇聚节点共有六种状态，分别是Waiting(等待SIM卡模块准备)、Waiting(等待按键)、Setting，Networking、Start/Getting和Start/Sending。开机后进入Waiting状态，等待SIM卡模块准备，SIM卡模块就绪后进入Waiting状态，等待按键。按Key1进入Setting状态，在此状态下能够添加采集节点ID，按Key4返回Waiting状态。Waiting状态下，按Key3进入Networking状态，等待所有采集节点连接就绪，就绪后进入Start/Getting状态，或者在Waiting状态下，通过按Key4也能进入Start/Getting状态。此状态下，汇聚节点能够向网络中的所有节点发送工作指令，等待5min，即进入Start/Sending状态，此时等待节点将数据发回，并将其统一发往服务器，等待5min后自动切换到Start/Getting状态。(此处的Key1，Key2，Key3和Key4均为51单片机最小开发板上的按键)
汇聚节点工作设置：汇聚节点正常工作设置的步骤如下(此处的Key1，Key2，Key3和Key4均为51单片机最小开发板上的按键)：
①打开开发板电源，进入盲等(指示灯点亮)。
②打开SIM模块电源，等待SIM模块启动。
③SIM模块启动成功后，按任意按键(指示灯熄灭)进入初始模式。
④初始模式下，单片机先给SIM模块发送初始化指令，发送完成后(指示灯重新点亮)。
⑤按下Key1(指示灯变化)，进入设置模式，设置网络下所有采集节点ID(一次设置一个)。
⑥设置模式下，按Key1ID加1，按Key2ID加5，按Key3ID加10(设置时指示灯不会变化)。
⑦按下Key4(指示灯变化)进行确认ID，回到初始状态。若要继续设置重复步骤②。
⑧按下Key3(指示灯变化)进入组网模式，等待所有采集节点的ID就绪。
⑨成功后指示灯进入间隔2s的闪烁。
⑩完成后不需要再进行其他操作。
Web系统平台需求如下：
1.展示各个工地的扬尘实时检测数据和近期数据
2.在地图上展示工地位置和工地状态
3.工地扬尘超标实时预警
4.管理工地和工地相关信息，包括添加、更新和删除工地相关信息
5.管理传感器分布信息，包括添加、更新和删除等功能
6.可以实时展示南京PM2.5以及相关的环境信息数据
7.展示系统相关的新闻等内容
8.监管单位的注册和登陆。
Web服务器设计
本章节主要说明了Web端服务器的设计，同时罗列了数据库表的结构设计，以及访问他们接口和其他公共接口的设计
图5标明了本发明整个系统的数据类图。
数据库表结构设计
本系统数据库表结构详细设计如表1-1至表1-13所示。
表1-1concentration表结构设计
表1-2company表结构设计
表1-3region表结构设计
表1-4project表结构设计
表1-5team表结构设计
表1-6supervisiondepartment表结构设计
表1-7Node表结构设计
表1-8project-supervisionDepartment表结构设计
表1-9project-team表结构设计
表1-10user表结构设计
表1-11teamlevel表结构设计
表1-12teamtype表结构设计
表1-13waring表结构设计
关于系统公共接口设计
表2-1至表2-6介绍了系统中公共接口的设计。
表2-1IndexAction系统公共接口设计表
表2-2LoginAction系统公共接口设计表
表2-3NodeAction系统公共接口设计表
表2-4ProjectAction系统公共接口设计表
表2-5RegionAction系统公共接口设计表
表2-6UserManageAction系统公共接口设计表
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种大气扬尘监控预警系统，其特征在于：包括数据采集部分和Web系统平台；数据采集部分有采集节点和汇聚节点：采集节点作为终端节点，负责扬尘数据的采集部分，并将采集得到的信号进行处理得到最原始的数据，然后通过 Zigbee模块将这些数据发送到汇聚节点；所述汇聚节点将所有数据传送到Web系统平台。
2.根据权利要求1所述的一种大气扬尘监控预警系统，其特征在于：所述采集节点包括单片机、单片机开发板、无线模块、灰尘传感器和Zigbee模块；所述单片机和无线模块设置在单片机开发板上；所述无线模块、灰尘传感器和Zigbee模块均与单片机相连。
3.根据权利要求2所述的一种大气扬尘监控预警系统，其特征在于：所述灰尘传感器采用DSM501A颗粒物浓度传感器，DSM501A颗粒物浓度传感器由韩国SYHITECH公司发明，是一个采用内置加热器吸入空气依据粒子计数的原理进行测量，通过PWM脉宽调制输出的一款传感器，最低可检测1微米的粒子。
4.根据权利要求2所述的一种大气扬尘监控预警系统，其特征在于：所述单片机的型号为STC89C52RC，STC89C52RC单片机是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8k字节Flash512字节RAM，定时器，内置4KB EEPROM，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，全双工串行口。
5.根据权利要求4所述的一种大气扬尘监控预警系统，其特征在于：所述STC89C52RC单片机采用了只具有一个串口。
6.根据权利要求2所述的一种大气扬尘监控预警系统，其特征在于：所述单片机开发板采用51单片机开发板，自带5v电源输入口，可以放入STC型号单片机，有3.3v电源转换输出口，4个按键，8个LED灯以及4个LED显示屏；所述无线模块采用cc1101无线模块。
7.根据权利要求1所述的一种大气扬尘监控预警系统，其特征在于：所述汇聚节点包括单片机、单片机开发板、无线模块、SIM300模块和Zigbee模块；所述单片机和无线模块设置在单片机开发板上；所述无线模块、SIM300模块和Zigbee模块均与单片机相连。
8.根据权利要求7所述的一种大气扬尘监控预警系统，其特征在于：所述单片机采用STC12C5A60S2型号的单片机，STC12C5A60S2单片机是STC生产的高速，低功耗，超强抗干扰的8051单片机，指令代码完全兼容传统8051工作电压5.5V-3.3V，集成1280字节RAM，有EEPROM功能，共4个16位定时器，两个与传统8051兼容的定时器/计数器，16位定时器T0和T1，有独立波特率发生器，做串行通讯的波特率发生器，有双串口。
9.根据权利要求7所述的一种大气扬尘监控预警系统，其特征在于：所述SIM300模块为GPRS模块，GPRS模块采用低功耗设计，通过GPRS或短消息方式远程传输数据，使用时需要放入SIM卡，双串口配置：1路RS485，2路RS232；自适应波特率，默认波特率为9600Bit/S。
10.根据权利要求7所述的一种大气扬尘监控预警系统，其特征在于：所述单片机开发板采用51单片机开发板，有3.3v电源转换输出口，4个按键，8个LED灯以及4个LED显示屏；所述无线模块采用cc1101无线模块。
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