基于GSM的远程空气质量监测系统设计

基于GSM的远程空气质量监测系统设计邓嘉1王贤哲21)南京工业职业技术学院能源与电气工程学院，南京市，江苏，中国2)华中科技大学，武汉光电国家实验室，武汉市，湖北，中国摘要由于人们环保意识的提高，越来越多的场合期望提供实时的空气质量监测数据。对于这类应用场景，基于无线网络的远端监测站点与数据处理中心的系统架构已经十分成熟。文中给出了基于信号覆盖率最高的GSM中最可靠的短信服务作为数据传输媒介的远程空气质量监测系统的设计方案。方案中的硬件选型以性能、尺寸和功耗同时作为标准，力求使得系统具有更佳的工程使用价值，方便日后推广。同时监测中心除提供基本的监测软件外，还提供了开发库，便于用户利用监测站点的数据进行二次开发。通过对原型机的测试，该设计达到预期效果，具有推广价值。关键词远程监测；空气质量；GSM模块；单片机；传感器DesignOfTheRemoteAirQualityMonitorSystemBasedOnGSMAbstractDuetotheimprovementofpeople’senvironmentalawareness,moreandmoresituationsareexpectedtoprovidereal-timeairqualitymonitordata.Forthiskindofapplications,thesystemarchitecturewithremotemonitorstationsconnectingtothedataprocesscenterviawirelessnetworkshasbeenmature.ThispaperpresentsadesignoftheremoteairqualitymonitorsystembasedontheshortmessageservicewhichismostreliableinGSMwiththehighestcoveragerateofsignal.Performance,size,andpowerconsumptionallarethefactorsthataffecttheselectionforthehardwareintheproposeddesign,whichmakesthatthesystemhashigherengineeringvalueandfacilitatesthepromotionofthissystem.Themonitorcenterprovidesbasicmonitorsoftware,andsoftwaredevelopmentkitinthemeantime,whichcanhelpuserswiththeirsecondarydevelopment.Thedesignhasachievedtheexpectedeffectsinthetestoftheprototype,andisworthpromotion.KeywordsRemotemonitor;airquality;GSMmodule;MCU;sensor1邓嘉（1967-），女，南京工业职业技术学院能源与电气工程学院，副教授，主要从事自动控制方面的研究。Email:[e-mail]基金项目：江苏省智能传感网工程技术研究开发中心开放基金项目1．引言随着人们生活水平的提高，人们对于环境质量的要求也日渐提高。越来越多的地方（例如小区、学校）希望能够提供实时的空气质量监测信息。这样能够方便地对局部区域的空气质量进行监测，提供给附近居民准确有效的空气质量指数信息，同时也可以上传至数据中心，方便相关部门对各区域内的空气质量能够进行全面分析，应对空气污染问题。远端数据的传输显然不适合采用有线的数据传输方式传输，因此大多数监测设备采用了无线通信方式[1-7]。GSM（全球移动通信系统），作为欧洲电信标准组织制订的一个数字移动通信标准，被全球超过200个国家采用。GSM被看作是第二代(2G)移动电话系统，虽然近年来3G与4G通信日趋普及，但信号覆盖方面GSM仍然具有无可比拟的优势[4,7,10-12]。对于远程空气质量监测系统而言，传输数据量有限，重要的是保证远端系统数据传输的有效性与可靠性，因此本文选择了GSM中的SMS（短信服务）作为数据传输的载体。基于GSM及其衍生方案进行设计的系统近年来已成为远程监测、控制的主流解决方案，并有大量关于此类系统的文献[1-12]。本文在之前的研究成果之上，结合局部区域空气质量监测系统的实际应用情况，选用了低功耗、小型化的空气质量参数检测芯片，能够一次对多个空气质量指标进行检测，而且便于安装部署。远端系统中还支持多种供电方式（包括蓄电池、民用交流电，并可选装太阳能充电装置），能够保证远端系统能够长时间免维护地进行监测任务。数据接收端提供了数据收集整理功能，方便用户对相应区域的空气质量进行进一步分析。本文第2节将给出系统整体架构的设计原理与设计方案。第3节和第4节着重介绍远程监测站点和监测中心的设计与实现方法。第5节给出了系统样机的实际使用效果。第6节为本文的总结部分。2．系统结构原理与设计2.1系统总体结构系统主要由远程监测站点和监测中心两个部分构成。远程监测站点主要包括GSM通信模块SIM900A、控制芯片MSP430F149、各类指标传感器模块（包含NO2检测模块、SO2检测模块、PM2.5检测模块等）、显示模块、多源供电模块；监测中心系统主要由上位机PC和相应的监测分析软件构成。系统的总体设计框图，如图1所示。NO2检测模块SO2检测模块PM2.5检测模块MSP430F149显示模块GSM模块多源供电模块监测中心图1系统的总体设计框图Fig.1Thedesignblockdiagramofthesystem2.2系统主要功能系统的远程监测站点能够实时检测目标环境下的各重要空气指标（如NO2、SO2、PM2.5），并通过显示模块实时显示。同时多源供电模块可以为指标采集系统提供多种供电方式（包括蓄电池、民用交流电，并可选装太阳能充电装置），达到绿色、节能、低功耗的目的。同时，远程监测站点会每间隔一段时间（如半小时）通过GSM模块向监测中心发布最近采样到的空气指标数据。监测中心系统通过分析统计最近7天以来的采样数据对目标站点空气环境的污染程度级别进行发布和报警。3．远程监测站点设计监测站点主要是以MSP430F149单片机作为控制器,通过读取各个检测模块实时获取的空气指标值，并通过GSM模块的短信息命令将数据按一定的帧格式发送到监测中心进行处理。3.1硬件组成设计MSP430F149是德州仪器（TI）公司推出的一款超低功耗Flash型16位RISC指令集单片机。MSP430F149有丰富的内部硬件资源，是一款性价比极高的工业级芯片。在应用中，其无需做过多的扩展，适合要求快速处理的实时系统。因此，选取其作为远程监测站点的控制器。对于各个传感器节点模块，我们主要是从低成本、低功耗、高性能的角度出发进行选取。在NO2监测模块中选用了英国阿尔法Alphasense公司的二氧化氮传感器NO2-A1（便携式），其具有易于安装携带、小型化等优势，便于在各种环境检测场所进行安装、调试。在SO2监测模块中选用了英国City公司生产的SO2-7SH型三极性电化学传感器，测量范围是0~100×10－6。该传感器通过引进第三电极参考电极，利用１个外部的恒电位工作电路来避免两电极传感器负电极的极化受限制的问题，感应电极曲线相对于参考电极保持一固定值，在参考电极中无电流流过，因此这2个电极均维持在一恒定的电位，而负电极则仍然可以进行极化，同时对传感器而言已不产生任何限制作用。因此，三电极传感器所能检测的浓度范围要比两电极大得多，同时可以降低设计成本。在PM2.5监测模块中选用了韩国Syhitech公司的灰尘颗粒传感器DSM501，其可以灵敏感知到烟草产生的香烟气和花粉,房屋粉尘颗粒等,内置加热器不需加气泵实现自动进气，可调电阻设置检测灰尘颗粒尺寸大小。利用与粒子计算器相同原理为基础，检测出单位体积粒子的绝对个数。为了方便附近居民实时查看，在监测站模块中加入显示模块。利用MSP430F149驱动液晶LCD1602实时动态显示目标环境的信息，每隔一段时间对LCD显示的环境指标进行刷新。GSM模块选用了SIMCom公司的SIM900A通信模块。SIM900A是一个具有2频的GSM/GPRS模块，工作的频段为：EGSM900MHz和DCS1800MHz。其具有标准AT命令接口，可以提供GSM语音、短消息等业务。多源供电模块采用蓄电池+太阳能电源板的组合，通过多模供电实现长时间不间断工作，能够有效应对单电源供电不足引发的掉电关闭，并且可以使用太阳能充电，节能环保效果好。电源电路分为充电电池和稳压电源模块两部分。充电电池主要为整个系统提供5V工作电压；再由LM2576将5V转为3.3V的低电压为MSP430F149供电。3.2软件流程设计远程监测站点的主要软件流程是控制MSP430F149在一定周期内采集传感器获取的数据，通过对SIM900A通信模块写入不同的AT指令，完成各项发送任务。其主程序流程图如图2所示。开始初始化采集计数器到达指定间隔值采集传感器数据发送计数器到达指定间隔值NYGSM模块发送采集指标短信息YNY刷新液晶显示数据收到监测中心应答等待应答时间计数器满YN图2远程监测站点软件流程图Fig.2Thesystemflowchartoftheremotemonitorstation4．监测中心的系统设计4.1数据结构设计监控中心系统的设计重点在于监测数据分析和预警发布。本监测中心的系统的PC软件是基于最新的C#.NET的软件开发平台。该套软件主要由数据通信和数据分析两部分组成。数据通信部分主要通过串口进行PC机与GMS模块间的通信。而GMS模块短信发送模式主要是PDU和TEXT两类模式,对应的指令分别是AT+CMGF=0和AT+CMGF=1,读取短信的类别,主要分为六类，如表1所示。表1读取短信类别对应指令表Table1Theinstructionsofmessagecategory读取的短信类别对应指令所有未读短信AT+CMGF=0所有已读短信AT+CMGF=1所有未发短信AT+CMGL=2所有已发短信AT+CMGL=3所有短信AT+CMGL=4指定编号的短信AT+CMGR=编号数字串口的打开关闭写数据主要是SerialPort对象自带的Open()、Close()、Write(string/byte[])等方法。其接收GSM模块端数据帧格式定义如表2所示。表2数据帧格式Table2Theformatofdataframe帧头标识符站点编号数据校验码帧结束符4.2软件流程设计监测中心的主要软件流程是PC机通过串口读取GSM接收端的远程站点环境指标数据，并对接收到的数据进行信息校验，通过统计分析，在信息发布中心发布目标站点一周内的环境变化状况及相关预警信息。其主程序流程图如图3所示。初始化开始检查GSM接收区是否有新数据更新监测数据库刷新PC端数据显示页分析目标站点环境是否需要发布预警发布预警信息YNYN图3监测中心系统软件流程图Fig.3Thesystemflowchartofthemonitorcenter该系统为了能便于使用者进行二次开发和重用修正，将一些通用的查询函数编译成动态链接库（DLL）文件，以便于后续开发者和使用者的调用和增强。这也使得该系统的可重用性和二次开发性能得到了极大的提升。5．系统实际应用效果对远程监测站点数据采集系统使用50000mAh的太阳能电源板进行断电时的应急供电测试，测得远端系统能在满电后无外部电源供电、无阳光照射的情况下连续工作72小时。阳光充足的情况下，太阳能转化板每小时可为蓄电池充电约600mAh。民用220V交流电则需要约14个小时可将蓄电池充满。在蓄电池和太阳能电源供电等各类方式下，各传感器返回显示数据均正常，GSM收发数据误码率低于1%，监测中心显示发布信息正常，对异常