CN204405493U - 一种基于路灯的城市雾霾监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于路灯的城市雾霾监测系统，包括至少一个mesh模块、以及与所述mesh模块无线通信的数据存储处理中心；所述mesh模块包括至少一个雾霾监测装置、mesh单元，所述雾霾监测装置将监测到的雾霾数据传输至mesh单元，经mesh单元传输至数据存储处理中心；所述雾霾监测装置包括依次连接的雾霾检测传感器、微处理器、无线通信单元；一个雾霾监测装置对应一个路灯，且雾霾监测装置安装于所述路灯的灯杆上，所述mesh单元安装于所述路灯的灯杆上。本实用新型由于无线mesh网络的网状拓扑结构和可以自行组织网络的特点，从而可以有效解决网络拥堵问题和减少数据丢失概率，提高数据传输的健壮性。

Description

一种基于路灯的城市雾霾监测系统

技术领域

本实用新型涉及一种基于路灯的城市雾霾监测系统，属于气象信息监测技术领域。

背景技术

近年来，中国的空气污染问题越来越严重，不仅在国内引起热议，在国际上也引起广泛关注。2013年，有报告显示，中国最大的500个城市中，只有不到1%的城市达到世界卫生组织推荐的空气质量标准，与此同时，世界上污染最严重的10个城市有7个在中国。国务院新闻办公室表示，中国空气污染严重，雾霾天气几乎常态化。雾霾给人体带来了严重的危害，主要影响人们的呼吸系统、心血管系统等，另外影响交通安全和生态环境，治理雾霾已经迫在眉睫。2014年，习近平主席指出，治理雾霾天气首先要控制PM2.5，加强环境执法监管，认真进行责任追求。因此，雾霾监测显得越来越重要，监测技术也日新月异。中国发明201310556138.5公开了《一种基于图像分析技术雾霾浓度监测的方法和系统》，利用外景图像采集仪与测距仪采集距离数据和图像数据，利用计算机系统对图像进行分析，对基色特性进行分析，得出图像中的各基色的分布特性总和，利用分析得到的信息进而计算出雾霾浓度值。该系统对计算机的运行计算能力要求较高，同时采集雾霾信息的设备昂贵，体积大，不适合不规模部署，不能及时反映雾霾情况。

目前，对于雾霾的监测方法主要是在城市部署大型监测点，然后通过分析大型监测点获取的数据进而得到雾霾数据，但是当前雾霾监测方法的分布范围小，通过这种方法不能够获取大范围的雾霾信息，同时大型监测点的部署成本昂贵、时效性差、结果片面，还需要专业的人员进行监控。另外，通过无线技术将大型监测点监测到的数据传输至数据处理平台时，有时会遇到网络拥堵，从而会造成数据丢失等问题。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种基于路灯的城市雾霾监测系统，利用无线mesh网络使雾霾监测面积更大化，同时解决了网络拥堵问题，使传输数据效率提高。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于路灯的城市雾霾监测系统，包括至少一个mesh模块、以及与所述mesh模块无线通信的数据存储处理中心；所述mesh模块包括至少一个雾霾监测装置、mesh单元，所述雾霾监测装置将监测到的雾霾数据传输至mesh单元，经mesh单元传输至数据存储处理中心；所述雾霾监测装置包括依次连接的雾霾检测传感器、微处理器、无线通信单元；一个雾霾监测装置对应一个路灯，且雾霾监测装置安装于所述路灯的灯杆上，所述mesh单元安装于所述路灯的灯杆上。

进一步的，所述雾霾监测装置还包括晶振电路，所述晶振电路与微处理器连接。

进一步的，所述雾霾监测装置还包括电源转换单元，所述电源转换单元分别与路灯、雾霾检测传感器、微处理器、无线通信单元连接，用于给所述雾霾监测装置供电。

优选的，所述mesh单元包括依次连接的天线、路由主板、无线网卡。

优选的，所述无线通信单元为zigbee通信单元。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本实用新型基于路灯的城市雾霾监测系统，由于无线mesh网络的网状拓扑结构和可以自行组织网络的特点，从而可以有效解决网络拥堵问题和减少数据丢失概率，提高数据传输的健壮性；另外，采用无线mesh网络进行通信，由于mesh网络的多跳特性和mesh节点的对等特点，能够方便快捷的进行数据传输。

2、本实用新型基于路灯的城市雾霾监测系统，使用无线传感网技术进行初级数据传输，提高了数据传输的效率和可靠性。

3、本实用新型基于路灯的城市雾霾监测系统，采用城市道路系统中的路灯作为雾霾检测装置的附着点，减少了安装部署的成本，采用传感器获取雾霾数据，方便快捷，无需人工操作。

附图说明

图1是本实用新型城市雾霾监测系统的整体架构图。

图2是本实用新型雾霾监测装置的结构示意图。

图3是本实用新型mesh单元的结构示意图。

图4是本实用新型雾霾监测装置与mesh单元的连接拓扑图。

图5是本实用新型mesh单元与数据存储处理中心的连接拓扑图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

本实用新型针对当前雾霾监测方法存在的分布范围小、成本昂贵、时效性差以及结果片面性等缺点，提出了一种基于路灯的城市雾霾监测系统。该系统充分利用城市道路系统路灯分布范围广而密集的特点部署雾霾监测装置。利用无线传感网采集信息的优越性和便捷性，雾霾检测装置自行组建无线传感网可以采集到大范围的实时的雾霾信息。同时利用无线mesh网络的网络传输高效率和快速的巨大优势，可以将监测面积更大化，使传输数据效率提高，使获取到更加全面的及时雾霾信息成为可能。Mesh网络可以和互联网连接并将雾霾信息传输到数据存储处理中心，从而可以进行雾霾实时信息和历史信息的分析，对于雾霾预报和预警提供了更加精确的监测方法。

如图1所示，为本实用新型城市雾霾监测系统的整体架构图，也是雾霾数据的传输流程图。首先，无线传感网中的雾霾监测装置采集雾霾数据，然后通过无线传感网将数据传输至mesh单元，mesh单元将雾霾数据经无线网络传送至数据存储处理中心，由数据存储处理中心对雾霾数据进行处理和存储。

如图2所示，为本实用新型雾霾监测装置的结构示意图，雾霾监测装置包括雾霾检测传感器、微处理器、晶振电路、无线通信单元以及电源转换单元，雾霾检测传感器、晶振电路、无线通信单元、电源转换单元分别与微处理器连接，电源转换单元与路灯连接。

具体的说，雾霾检测传感器用于获取雾霾数据，雾霾检测传感器选用韩国Syhitech的灰尘颗粒传感器DSM501。DSM501电压工作范围5±0.5V，输出方式为PWM脉宽调制，灵敏度为15000个/283ml，稳定时间为加热器电源接通后约1分钟，可以检测直径1微米以上的粒子，如灰尘，花粉和香烟等，内置加热器可以实现自动吸入空气，具有质量轻，尺寸小和易安装等优点。DSM501工作时，加热器开始工作，加热使气流开始上升，进而外部空气可以进入模块内部，空气中如果有粉尘等粒子时，会阻断LED光源，此时光电检测器检测不到光源，则输出低电位，否则输出高电位，形成PMW脉冲宽度调制信号，信号会经过放大输出。

无线通信单元采用zigbee技术建立无线信道，zigbee技术是一种近距离、低功耗和低成本的双向无线通讯技术，主要用于传输速率不高的电子设备之间进行数据传输。Zigbee技术可以自组织网，只要有新的zigbee装置接入现有无线传感网，则其被自动发现自行加入该无线传感网的组网。无线通信单元采用CC2430，CC2430是一颗系统芯片CMOS解决方案，结合一个高性能的2.4GHz的DSSS射频收发器核心和一颗工业级别的8051控制器。CC2430芯片在单个芯片上整合了zigbee射频前端、内存和微控制器。CC2430作为整个雾霾检测核心部件，DSM501传感器输出电位后进入CC2430的AD转换电路，将电压转换成数字信号后输入8051单片机(即微处理器)进行处理，处理过后的数据经过zigbee无线传输模块将数据发送到其临近节点，临近节点再发送给其他节点，从而实现雾霾数据的传输。

电源转换单元用于将路灯供电电压转换为雾霾监测装置需要的电压，由于雾霾监测装置中的CC2430需要的电压范围为2.0~3.6V，DSM501传感器工作最大电流为90mA，而路灯供电系统电压最佳一般为200V~220V，则不可以直接使用路灯供电系统为装置内部各组成部件供电，所以需要通过电源转换单元进行电源转换。

微处理器主要负责控制DSM501雾霾检测传感器和zigbee无线通信单元的工作与否，晶振电路主要负责设定zigbee通信单元传输数据和DSM501雾霾检测传感器采集数据的时间间隔。DSM501每隔设定好的时间开始采集数据一次，数据进入CC2430的8051的AD模块转换成数字信号，zigbee通信单元经过设定好的时间后将数字信号传送至其他节点。

图3是本实用新型mesh单元的结构示意图，主要包括天线、路由主板和无线网卡。路由主板选用mikrotik提供的RB411U，RB411U是一种通用小型装置，包括连接3G上网卡的MiniPCI插槽，一个USB2.0端口，一个miniPCI-E插槽和一个3G的SIM卡插槽。该板具有直接输入电源插孔和具有PoE供电能力两种供电方式，工作时仅以一种方式进行供电。无线网卡实现无线信号传输和收发，只要在信号辐射范围内能够接入到局域网就可以与网络连接，从而实现类似路由器的功能。可以选用WL017无线网卡，其具有体积小，功耗低优点，同时芯片采用性能稳定的Atheros5414芯片，可以工作在2.4和5.8GHz两种频段，同时支持多种加密方式。天线选择全向天线TQJ-5800AD，避开繁忙的2.4GHz而使用5GHz频段，天线的好坏决定通信的质量。

图4是本实用新型雾霾监测装置与mesh单元的连接拓扑图，相当于一个无线传感网，每个雾霾监测装置既可以采集雾霾数据也可以转发雾霾数据，但是mesh单元相当于网关，不可以采集雾霾数据，从而可以在一定区域内采集雾霾数据，通过无线传感网内的各个雾霾监测装置中的无线通信单元转发数据，最终将一个区域内所有数据汇总到该无线传感网的mesh单元，mesh单元负责与无线mesh网络中的其他mesh单元通信，从而实现雾霾数据的向上传输。

图5是本实用新型mesh单元与数据存储处理中心的连接拓扑图，每个mesh单元均可以连接一个无线传感网，实现该无线传感网的数据传送至mesh单元的功能，这样可以极大地扩大雾霾检测的面积。无线mesh网络为星型网络，如果一个mesh单元停止工作，则可以通过mesh单元的路由功能自行查找最优的临近mesh单元进行工作，从而保证数据传输的不丢失。如果网络繁忙拥堵，mesh单元也可以通过路由功能查找最优的一条传输路径，因此可以实现数据传输的高速率。一个无线mesh网络中可以一个或者两个连接互联网，从而实现数据上传至互联网，进而实现雾霾数据发送至位于互联网中的数据存储处理中心。

本实用新型基于路灯的城市雾霾检测系统的具体应用如下，每个无线传感网中的所有的雾霾监测装置和mesh单元均部署在城市道路的路灯上，给路灯供电的电路系统通过电源转换单元进而给雾霾监测装置和mesh单元供电，从而解决了电源工作消耗的难题，不需要另外部署供电线路和外接蓄电池等，方便部署和节约安装成本，同时城市道路路灯的分布密集，且一般为人群或者车辆集中地方照明，因此可以实时检测人流和车流比较大的雾霾高发地域，因此可以实现区域内无死角和全方位的雾霾检测。无线mesh网络中每个mesh单元均与一个无线传感网连接，接受每个无线传感网中的雾霾监测装置发送过来的雾霾信息，进而通过无线mesh单元的路由功能，选择最佳的数据传输路径将数据以最快的速率发送到互联网上。数据通过互联网传送至数据存储处理中心，数据存储处理中心可以随时读取历史和实时的雾霾数据，通过各种数据比较算法分析某个地区内的空气雾霾污染情况，通过信息可视化算法，将数据以用户视觉可以感知的图形符号形式进行展示，同时可以根据现有的雾霾数据应用预测算法进行雾霾预警等。

本实用新型雾霾监测系统具有体积小、价格便宜等优点，方便城市大规模部署，减少了人为参与检测，使雾霾监测自动化，同时由于城市道路系统路灯分布的特殊性，可以实现城市雾霾无死角全方位的实时检测和预警。

以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于路灯的城市雾霾监测系统，其特征在于：包括至少一个mesh模块、以及与所述mesh模块无线通信的数据存储处理中心；所述mesh模块包括至少一个雾霾监测装置、mesh单元，所述雾霾监测装置将监测到的雾霾数据传输至mesh单元，经mesh单元传输至数据存储处理中心；所述雾霾监测装置包括依次连接的雾霾检测传感器、微处理器、无线通信单元；一个雾霾监测装置对应一个路灯，且雾霾监测装置安装于所述路灯的灯杆上，所述mesh单元安装于所述路灯的灯杆上。

2.如权利要求1所述基于路灯的城市雾霾监测系统，其特征在于：所述雾霾监测装置还包括晶振电路，所述晶振电路与微处理器连接。

3.如权利要求1或2所述基于路灯的城市雾霾监测系统，其特征在于：所述雾霾监测装置还包括电源转换单元，所述电源转换单元分别与路灯、雾霾检测传感器、微处理器、无线通信单元连接，用于给所述雾霾监测装置供电。

4.如权利要求1所述基于路灯的城市雾霾监测系统，其特征在于：所述mesh单元包括依次连接的天线、路由主板、无线网卡。

5.如权利要求1所述基于路灯的城市雾霾监测系统，其特征在于：所述无线通信单元为zigbee通信单元。