CN107202869A - 一种空气质量多点实时监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种空气质量多点实时监测系统。该系统包括：空气质量监测终端、无线网关节点和上位机；所述空气质量监测终端包括多个监测节点；每个所述监测节点用于采集环境信息数据和利用压缩感知技术对所述环境信息数据进行压缩，并通过ZigBee网络将所述环境信息数据发送到所述无线网关节点；所述无线网关节点用于接收所述空气质量监测终端发送的所述环境信息数据，并将所述环境信息数据通过GPRS网络发送到所述上位机；所述上位机用于显示所述环境信息数据。本发明公开的一种空气质量多点实时监测系统，可以有效降低系统损耗。

Description

一种空气质量多点实时监测系统
技术领域
本发明涉及环境监测领域，特别是涉及一种空气质量多点实时监测系统。
背景技术
随着我国经济飞速发展，工业规模不断扩大，环境问题也日益凸显。当前各大城市的PM2.5值高居不下，空气质量严重下降，严重干扰到人们的正常生活。而且中国目前正处于工业化与城镇化过渡阶段，主要污染物也随之发生了变化。传统的污染物没有得到较好的治理，同时又出现了许多新型污染物，大气污染种类的多样化，更增加了治理的难度，治理形式严峻。
若要对空气质量进行治理，首先需要实时监测空气质量。目前我国出现的空气质量监测系统多以监测区域范围广为研究方向，然而当监测区域范围广时，必然会使数据传输和处理的过程产生较大损耗。
发明内容
本发明的目的是提供一种空气质量多点实时监测系统，可以有效降低系统损耗。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种空气质量多点实时监测系统，包括：空气质量监测终端、无线网关节点和上位机；所述空气质量监测终端包括多个监测节点；
每个所述监测节点用于采集环境信息数据和利用压缩感知技术对所述环境信息数据进行压缩，并通过ZigBee网络将所述环境信息数据发送到所述无线网关节点；
所述无线网关节点用于接收所述空气质量监测终端发送的所述环境信息数据，并将所述环境信息数据通过GPRS网络发送到所述上位机；
所述上位机用于显示所述环境信息数据。
可选的，所述监测节点包括数据采集装置、数据处理装置和数据传输装置；所述数据采集装置用于采集所述环境信息数据，并将所述环境信息数据输出到所述数据处理装置；所述数据处理装置用于对所述环境信息数据进行初级打包处理，并将初级打包后的所述环境信息数据发送到所述数据传输装置；所述数据传输装置利用所述压缩感知技术对所述初级打包后的所述环境信息数据进行压缩，并将压缩数据发送到所述无线网关节点。
可选的，所述压缩感知技术为对所述环境信息数据进行稀疏变换，通过投影计算观测值，以及对所述环境信息数据进行信号重构处理。
可选的，所述数据采集装置包括多种传感器。
可选的，所述数据处理装置包括第一存储器和第一微处理器，所述第一微处理器用于对所述环境信息数据进行初级打包处理，并将所述初级打包后的所述环境信息数据发送到所述数据传输装置和所述第一存储器，所述第一存储器用于存储所述初级打包后的所述环境信息数据。
可选的，所述无线网关节点包括ZigBee模块、第二微处理器和GPRS模块；所述ZigBee模块用于接收各个所述监测节点发送的所述压缩数据并将所述压缩数据输出到所述第二微处理器，所述第二微处理器用于对各个所述监测节点发送的所述压缩数据进行二次打包处理并将二次打包后的所述环境信息数据发送到所述GPRS模块，所述GPRS模块将所述二次打包后的所述环境信息数据发送到所述上位机。
可选的，所述无线网关节点还包括第二存储器；所述第二存储器与所述第二微处理器的输出端相连，用于存储所述二次打包后的所述环境信息数据。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明利用ZigBee网络将多个监测节点的环境信息数据传输到无线网关节点，从而能够保证数据传输过程的低功耗；同时每个监测节点利用压缩感知技术对环境信息数据进行处理，从而能够保证系统以较低速率采样，大大降低了系统功耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明空气质量多点实时监测系统实施例的系统结构图；
图2为本发明空气质量多点实时监测系统实施例的监测节点的结构图；
图3为本发明空气质量多点实时监测系统实施例的无线网关节点的结构图；
图4为本发明空气质量多点实时监测系统实施例的无线网关节点与上位机进行信号交换的信号传输流程图；
图5为本发明空气质量多点实时监测系统实施例的数据传输装置对环境信息数据进行处理的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明空气质量多点实时监测系统实施例的系统结构图。
参见图1，该空气质量多点实时监测系统，包括：空气质量监测终端1、无线网关节点2和上位机3。所述空气质量监测终端1包括多个监测节点101。多个所述监测检测101散布在各个数据采集区域。
每个所述监测节点101用于采集环境信息数据和利用压缩感知技术对所述环境信息数据进行压缩，并通过ZigBee网络将所述环境信息数据发送到所述无线网关节点2。
所述无线网关节点2用于接收所述空气质量监测终端1发送的所述环境信息数据，并将所述环境信息数据通过GPRS网络发送到所述上位机3。
所述上位机3用于显示所述环境信息数据。
本发明利用ZigBee网络将多个监测节点的环境信息数据传输到无线网关节点，从而能够保证数据传输过程的低功耗；同时每个监测节点利用压缩感知技术对环境信息数据进行处理，从而能够保证系统以较低速率采样，大大降低了系统功耗。
图2为本发明空气质量多点实时监测系统实施例的监测节点的结构图。
参见图2，所述监测节点101包括数据采集装置1011、数据处理装置1012和数据传输装置1013。所述数据采集装置1011用于采集所述环境信息数据，并将所述环境信息数据输出到所述数据处理装置1012。所述数据处理装置1012用于对所述环境信息数据进行初级打包处理，并将初级打包后的所述环境信息数据发送到所述数据传输装置1013。所述数据传输装置1013利用所述压缩感知技术对所述初级打包后的所述环境信息数据进行压缩，并将压缩数据发送到所述无线网关节点2。
所述数据采集装置1011包括多种传感器。所述多种传感器包括：PM2.5传感器、PM10传感器、甲醛传感器、温度传感器、湿度传感器、二氧化碳传感器、一氧化碳传感器等。
所述数据处理装置1012包括第一存储器10121和第一微处理器10122，所述第一微处理器10122用于对所述环境信息数据进行初级打包处理，并将初级打包后的所述环境信息数据发送到所述数据传输装置1013和所述第一存储器10121。所述初级打包处理为按拨码地址分别打包成IP包。所述第一存储器10121用于存储初级打包后的所述环境信息数据。
所述监测节点101还包括显示电路1014和第一电源电路1015。所述显示电路1014与所述数据处理装置1012相连，用于将所述环境信息数据显示在LED显示屏上。所述第一电源电路1015分别与所述数据采集装置1011、所述数据处理装置1012和数据传输装置1013相连，用于为所述数据采集装置1011、所述数据处理装置1012和数据传输装置1013提供电能。所述第一电源电路1015的电源为两块可充电的锂电池。
所述第一微处理器10122为STM32系列单片机。所述数据传输装置1013的无线通信芯片为兼容ZigBee2007协议的型号为CC2530的芯片。
图3为本发明空气质量多点实时监测系统实施例的无线网关节点的结构图。
参见图3，所述无线网关节点2包括ZigBee模块201、第二微处理器202和GPRS模块203。所述ZigBee模块201用于接收各个所述监测节点101发送的压缩数据并将压缩数据输出到所述第二微处理器202。所述第二微处理器202用于对各个所述监测节点101发送的压缩数据进行二次打包处理并将二次打包后的所述环境信息数据发送到所述GPRS模块203。所述GPRS模块203将所述二次打包后的所述环境信息数据发送到所述上位机3。
所述无线网关节点2还包括第二存储器204。所述第二存储器204与所述第二微处理器202的输出端相连，用于存储二次打包后的所述环境信息数据。
所述无线网关节点2还包括第二电源电路205。所述第二电源电路205分别与所述ZigBee模块201、第二微处理器202和GPRS模块203相连，用于为所述ZigBee模块201、第二微处理器202和GPRS模块203提供电能。
所述ZigBee模块201的无线通信芯片为兼容ZigBee2007协议的型号为CC2530的芯片。型号为CC2530的芯片将微处理器与射频收发器融为一体，减少了外围元件电路的设计，降低了系统应用的成本。所述第二微处理器202为STM32系列单片机。所述GPRS模块203的芯片为SIM900A芯片，SIM900A芯片支持标准的AT命令，SIM900A芯片的通信可以调用相应的AT命令实现。
对所述监测节点和所述无线网关节点的控制程序的编写采用IAR工具，并采用JTAG下载接口下载。
图4为本发明空气质量多点实时监测系统实施例的无线网关节点与上位机进行信号交换的信号传输流程图。
参见图4，所述GPRS模块203与基站4相连，将二次打包后的所述环境信息数据传送给基站4，基站4再将二次打包后的所述环境信息数据传送给服务GPRS支持节点(SGSN，serving GPRS support node)5。所述服务GPRS支持节点5用于记录二次打包后的所述环境信息数据的当前位置。所述服务GPRS支持节点5与GPRS骨干网6相连，将二次打包后的所述环境信息数据传送到所述GPRS骨干网6中。所述GPRS骨干网6将二次打包后的所述环境信息数据传送到网关GPRS支持节点(GGSN，Gateway GPRS Support Node)7。网关GPRS支持节点7通过因特网8将二次打包后的所述环境信息数据传送到监控中心的上位机3上。
图5为本发明空气质量多点实时监测系统实施例的数据传输装置对环境信息数据进行处理的流程图。
参见图5，所述数据传输装置1013采用压缩感知技术对环境信息数据进行处理的流程包括：
步骤501：对所述初级打包后的所述环境信息数据进行稀疏变换处理，得到稀疏数据。
所述步骤501具体为：
将初级打包后的环境信息数据X在稀疏基上进行K稀疏度的系数变换处理，即或者S＝Ψ-1X。
其中初级打包后的环境信息数据X为N维离散信号，可以将初级打包后的环境信息数据X看作N×1维的列向量，即N∈RN×1，RN×1表示N×1维的列向量。Ψ为一组标准正交基组成的稀疏基；Ψ＝[Ψ1,Ψ2,…,ΨN]∈RN×N；Ψ1,Ψ2,…,ΨN为标准正交基；RN×N为N×N维向量。S为变换系数，且S＝[S1,S2,…,SN]∈RN×1，S1,S2,…,SN为变换基。
步骤502：通过投影对所述稀疏数据进行计算，得到观测值。
所述步骤502具体为：
将初级打包后的环境信息数据X投影到感知矩阵Φ上可得到观测值Y，即Y＝ΦX＝ΦΨS＝ΘS。其中Φ为感知矩阵，Φ为M×N维向量，即Φ∈RM×N，M＜N。其中RM×N表示M×N维向量。Θ为传感矩阵，Θ＝ΦΨ∈RM×N。
步骤503：利用所述观测值进行信号重构。
所述步骤503具体为：
以求取变换系数的最小范数为目标，以观测值为条件求取最优变换系数作为信号重构的变换系数。即：
s.t.Y＝ΘS
其中为最优变换系数，||S||p为变换系数S的p范数，
本发明采用的压缩感知技术与传统的压缩技术不同，本发明采用的压缩感知技术不受奈奎斯特定律的限制，能够以较低的速率采样，并在一定的条件下完美重构信号，将高速采样和压缩编码整合成了一步。
所述上位机3内置监测软件。所述监测软件采用LabView软件设计。
所述上位机3还包括报警电路和显示模块。所述报警电路用于当所述环境信息数据超过正常指标时进行报警。所述显示模块用于显示环境信息数据。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种空气质量多点实时监测系统，其特征在于，包括：空气质量监测终端、无线网关节点和上位机；所述空气质量监测终端包括多个监测节点；
每个所述监测节点用于采集环境信息数据和利用压缩感知技术对所述环境信息数据进行压缩，并通过ZigBee网络将所述环境信息数据发送到所述无线网关节点；
所述无线网关节点用于接收所述空气质量监测终端发送的所述环境信息数据，并将所述环境信息数据通过GPRS网络发送到所述上位机；
所述上位机用于显示所述环境信息数据。
2.根据权利要求1所述的一种空气质量多点实时监测系统，其特征在于，所述监测节点包括数据采集装置、数据处理装置和数据传输装置；所述数据采集装置用于采集所述环境信息数据，并将所述环境信息数据输出到所述数据处理装置；所述数据处理装置用于对所述环境信息数据进行初级打包处理，并将初级打包后的所述环境信息数据发送到所述数据传输装置；所述数据传输装置利用所述压缩感知技术对所述初级打包后的所述环境信息数据进行压缩，并将压缩数据发送到所述无线网关节点。
3.根据权利要求2所述的一种空气质量多点实时监测系统，其特征在于，所述压缩感知技术为对所述环境信息数据进行稀疏变换，通过投影计算观测值，以及对所述环境信息数据进行信号重构处理。
4.根据权利要求2所述的一种空气质量多点实时监测系统，其特征在于，所述数据采集装置包括多种传感器。
5.根据权利要求2所述的一种空气质量多点实时监测系统，其特征在于，所述数据处理装置包括第一存储器和第一微处理器，所述第一微处理器用于对所述环境信息数据进行初级打包处理，并将所述初级打包后的所述环境信息数据发送到所述数据传输装置和所述第一存储器，所述第一存储器用于存储所述初级打包后的所述环境信息数据。
6.根据权利要求2所述的一种空气质量多点实时监测系统，其特征在于，所述无线网关节点包括ZigBee模块、第二微处理器和GPRS模块；所述ZigBee模块用于接收各个所述监测节点发送的所述压缩数据并将所述压缩数据输出到所述第二微处理器，所述第二微处理器用于对各个所述监测节点发送的所述压缩数据进行二次打包处理并将二次打包后的所述环境信息数据发送到所述GPRS模块，所述GPRS模块将所述二次打包后的所述环境信息数据发送到所述上位机。
7.根据权利要求5所述的一种空气质量多点实时监测系统，其特征在于，所述无线网关节点还包括第二存储器；所述第二存储器与所述第二微处理器的输出端相连，用于存储所述二次打包后的所述环境信息数据。
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