一种新型分层异构跨网络的空气质量实时监测模型的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于无线网络通信和嵌入式系统技术领域，具体涉及一种基于ZigBee通信和3G/4G无线网络通信技术的移动传感器网络的分层异构跨网络的空气质量实时监测模型。
【背景技术】
[0002]环境问题是我国亟需解决的重大问题。空气质量的监测是环境保护与污染处理过程中必不可少的环节。通过空气质量监测，可以了解空气污染成分，为城市规划提供依据，为改善环境提供支撑。信息技术的发展，对空气质量监测的自动化、智能化、数字化起到了重要的推动作用。
[0003]现有的空气质量监测系统主要分为两类:1)交互式系统，该类系统能够设置、查询污染物信息，也能管理修改相关信息。主要缺点是不适合普通用户使用，用户无法感知传感器的具体设置，也无法理解信息的具体作用，没有较好的用户体验，并且这种类型系统不能实时反映数据的变化。2)实时系统，这类系统是对空气质量检测的主流方式，但具体的实现方法却各不相同。其最大的区别是无线传输模式，其主要选择有:无线RF网络技术，ZigBee低速短距离传输的无线网络，以及蓝牙。目前大部分系统选择ZigBee构建无线传输网络。
[0004]3G是“第三代移动通信技术”(英语:3rd-Generat1n)的缩写，也就是IMT-2000 (Internat1nal Mobile Telecommunicat1ns-2000)，是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。3G服务能够同时传送声音(通话)及信息(电子邮件、实时通信等)。3G的代表特征是提供高速数据业务，速率一般在几百kbps以上。
[0005]4G是第四代通讯技术的简称。4G系统能够以10Mbps的速度下载，比目前的拨号上网快2000倍，上传的速度也能达到20Mbps，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。此外，4G可以在DSL和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署，然后再扩展到整个地区。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种新型基于ZigBee通信和3G/4G无线通信技术的分层异构跨网络的空气质量实时监测模型。本发明具有低成本、低功耗、适应性强、动态监测、覆盖范围广和远距离、超远距离的跨网络无线通信的优点。
[0007]为达到上述目的，本发明采用的技术方案为:新型分层异构跨网络的空气质量实时监测模型，包括基于ZigBee无线技术的空气质量终端监测模块、路由节点、汇聚节点，基于3G/4G无线网络通信技术的3G/4G空气质量监测终端模块以及用于接收、存储、处理、综合空气质量信息的的物数据服务中心。
[0008]通过在建筑物各楼层中布置ZigBee终端监测节点，并选择最优通信点放置ZigBee路由节点，各节点通过自组网方式构成ZigBee局域网，终端节点采集空气质量并通过Z i gB e e网络将信息传输给局域网内的路由节点，单级路由节点将其控制范围内的终端节点所探测到的空气质量信息进行接收后分类打包传递给上级汇聚节点，汇聚节点再将所有信息传递给服务中心，以此实时监测楼宇空气质量信息；在平面区域中，可根据需要在特定的地点固定ZigBee终端监测节点，并覆盖路由节点，而在偏远地区或者ZigBee无线网络无法覆盖的区域或者想要动态监测的一些地方区域，可选择放置基于3G/4G技术的空气质量监测终端模块，通过3G/4G无线通信技术直接将信息发送给物数据服务中心，实现对平面区域的监测。
[0009]所述的基于ZigBee无线技术的空气质量终端监测模块，包括空气质量传感器模块，基于ZigBee的ARM控制模块，以及电源模块。
[0010]所述基于3G/4G技术的空气质量监测终端_旲块，包括3G/4G无线发射_旲块，空气质量传感器模块，基于3G/4G的ARM控制模块以及电源模块。
[0011 ] 所述空气质量传感器模块，包括粉尘传感器，温度传感器，有害气体传感器，GPS模块；传感器根据空气质量输出pwm脉冲，并通过统计脉冲信号计算当前的空气污染参数。
[0012]所述基于ZigBee的ARM控制模块，包含ARM微处理器、外部存储块、串口模块，ZigBee天线，LED灯以及相关电子电路组成，用于连接空气质量传感器，发送信息。
[0013]所述基于3G/4G的ARM控制模块，包含ARM处理器、外部存储块、串口模块，3G/4G天线，LED灯以及相关电子电路组成，用于连接传感器，发送信息。
[0014]所述电源模块，主要是由电池、太阳能电池板和电源管理模块组成，所述干电池用于连接ARM控制模块，以供给ARM控制模块以及所连接的传感器能源，所述太阳能电池板主要用于连接路由节点模块。
[0015]所述3G/4G无线发射模块，主要是用于将所连接的空气质量传感器所探测到的信息通过3G/4G无线通信技术发送给物数据服务中心。
[0016]所述路由节点，由CC2530和、PA功放模块RFX2401C和太阳能电池板构成；PA模块通过放大放射功率增大数据的传输距离，太阳能电池板则为节点提供长久的清洁能源续航。路由节点完成与空气质量监测终端模块之间的组网，收集终端模块信息，主要用于扩展整个空气质量探测范围。
[0017]所述汇聚节点，由CC2530和USB转串口模块CH341组成；汇聚节点接收所有的无线传感网络中的空气质量信息，并将信息发送至物数据服务中心。
[0018]所述物数据服务中心，包含监测显示系统和数据库系统，主要由刀片服务器构成。监测显示系统提供完整的空气质量显示功能，并提供数据搜索功能，实现按照特定节点，特定日期，特定位置进行空气质量查询；数据库系统主要用于存储整个空气质量信息。
[0019]基于ZigBee通信的终端设备通过在建筑物各层以及平面区域布置终端监测节点，将监测到的空气质量信息传递给路由节点，并最终通过汇聚节点汇聚到物数据服务中心；而基于3G/4G无线通信技术的空气质量监测节点通过布置在ZigBee网络难以覆盖的区域或者要动态监测、经常性移动监测节点的建筑物或平面区域，节点将直接通过3G/4G无线通信技术直接将信息传递给物数据服务中心。同时，物数据服务中心接受实时空气质量信息，并对外提供方便操作，简单美观的实时监测网站，网站还拥有强大的数据管理和分析功能。
[0020]本模型拥有采集环境参数，计算和处理数据功能，并具有低成本、低功耗、适应性强、动态监测、覆盖范围广和远距离、超远距离的无线通信的优点。本发明相对于现有技术，具有以下有益效果:
[0021]1.本发明可同时实时采集多种空气质量参数(包括二氧化硫浓度，氮氧化物浓度，粉尘浓度)，可进行分层次，分区域，跨网络的空气质量信息监测，适应性好，数据采集覆盖范围广，不受地理环境约束。
[0022]2.数据通信能力强，网络覆盖范围广。节点设备通过Zigbee无线通信模块加入局域网，或者直接通过3G/4G无线通信技术有效的将信息传递给物数据服务系统，并且在路由节点添加PA功放模块，有效的延长了信息传输距离，降低了信号衰减。
[0023]3.节点设备运行功耗低，节点设备的软硬件系统均采用了节能低功耗设计技术，并且在耗能量较高的路由节点和汇聚节点处添加太阳能板供应能源，有效延长了节点的工作时间和寿命。
[0024]4.实时处理并发布区域空气质量，并且将长期的环境参数存储至检测中心的数据库，方便用户检测与分析。
[0025]5.用户交互良好，物数据服务中心显示网站展示效果简单美观，易于操作。
【附图说明】
[0026]图1本发明系统结构示意图。
[0027]图2固定地点空气质量监测示意图。
[0028]图3动态区域空气质量监测示意图。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图对本发明作进一步描述。
[0030]如图1所示，本发明用于监测实时空气质量信息，包括基于ZigBee无线技术的空气质量终端监测模块、路由节点、汇聚节点，基于3G/4G无线网络通信技术的3G/4G空气质量监测终端模块；可以分为三个层次进行检测实时空气质量信息:建筑物空气质量实时监测、平面区域空气质量实时监测和动态区域空气质量实时监测。监测数据最终都将汇聚到物数据服务中心，进行分类存储并显示。
[0031]基于ZigBee无线技术的空气质量监测模块主要包含MQ135传感器、PM2.5传感器和温度传感器以及基于ZigBee的ARM控制块。传感器的型号如下:MQ135气体传感器(工作电压为5.0V+-0.1V，回路电压小于24V，加热功耗小于900Mw，工作环境温度范围为_10摄氏度到50摄氏度，储存温度为-20摄氏度到70摄氏度，相对湿度为小于95% RH,适用范围为10-1000ppm)MQ135使用的气敏材料是在清洁空气中导电率较低的二氧化锡(Sn02)。当空气中的污染物浓度逐渐增大，其导电率也增大，输出低电平，当空气洁净时，输出高电平。MQ135传感器对氨气、硫化物、苯系蒸汽的灵敏度高，对烟雾和其它有害的监测也很理想。这种传感器可检测多种有害气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。PM2.5传感器(工作电压5.0+-0.5V，输出方式PWM脉宽调制，输出电压有污染物时为低电平小于1.0V，空气洁净时为高电平高于4.0V，最小粒子检测能力为lum，检测范围为15000个/283ml，工作电流为90mA，储存温度范围-20摄氏度到80摄氏度，工作环境温度范围为-10摄氏度到60摄氏度，稳定时间为加热器电源接通后约I分钟)采用离子计数原理，可灵敏检测直径为I微米以上的离子，内置加热器可实现自动吸入空气，并且尺寸小，重量轻，容易安装使用。温度传感器采用DS18B20/DS1822，DS18B20/DS1822支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55°C?+125°C，在-10?+85°C范围内，精度为±0.5°C。DS18B20/DS1822的精度较差为±2°C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰能力。该传感器支持3