一种可吸入颗粒物监测系统的制作方法

本发明涉及环境监测领域和无线通信技术领域，特别涉及一种可吸入颗粒物监测系统。

(二)

背景技术：
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近几年来，雾霾天气频繁出现，空气质量不断的下降，人们越来越担心自身的呼吸安全，可吸入颗粒物是空气质量的重要组成部分，这些颗粒物长期悬浮在空气中，自身沾满了各种有毒物质，更容易损害人体器官，造成各种疾病，是空气颗粒物监测系统的首要监测对象。

随着无线通信技术的发展，越来越多的通信技术如ZigBee(紫峰Zigbee)技术、GPRS(通用分组无线服务技术General Packet Radio Service)技术、WIFI(无线保真Wireless Fidelity)技术开始应用到空气颗粒物监测系统中，代替了传统人工监测，既提高系统的监测精度又提高了系统的自动化程度。

但就我国的可吸入颗粒物监测现状而言，我国现有的监测仪器大多数来自国外进口，这些仪器价格昂贵很难普及使用，而且我们现在所能了解到的可吸入颗粒物监测信息大多是由我国环境监测信息总站统一发布的，监测面积有限，监测数据不具有代表性，很难反应用户自身周围的可吸入颗粒物浓度信息。

当前，迫切需要开发出一种可吸入颗粒物监测系统，一方面为环保部门提供实时监测信息，便于及时采取有利措施；另一方面，供公众查看自身所处环境的颗粒物浓度，便于采取自我保护措施。

(三)

技术实现要素：
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本发明的目的在于提供一种可吸入颗粒物监测系统，集ZigBee技术、GPRS技术和WIFI技术为一体，实现了监测数据的远程和近程同时传输，解决以往监测系统的数据传输方式单一、数据上传速度慢、监测数据不可靠等缺陷，且系统中各监测节点位置灵活，结构简单、容易实现，为用户随时查看自身周边的可吸入颗粒物浓度提供便利。

本发明的技术方案：一种可吸入颗粒物监测系统，其特征在于它包括传感器节点、ZigBee-GPRS/WIFI网关节点和终端监测设备；其中，所述传感器节点通过ZigBee无线传感网络与ZigBee-GPRS/WIFI网关节点相连接，所述ZigBee-GPRS/WIFI网关节点通过GPRS/WIFI网络与终端监测设备相连接。

所述传感器节点和ZigBee-GPRS/WIFI网关节点均采用压电电源供电；所述压电电源模块是由压电陶瓷片、能量收集芯片，可充电电池组和能量管理芯片构成；所述压电陶瓷片、能量收集芯片，可充电电池组和能量管理芯片依次顺序连接；所述能量管理芯片的输出端分别与传感器节点或ZigBee-GPRS/WIFI网关节点中的电源输入端连接；所述压电陶瓷片是PZT(锆钛酸铅Pbbased Lanthanumdoped Zirconate Titanates)压电陶瓷片，所述能量收集芯片是LTC3588-1芯片；所述可充电电池组是可充电锂电池；所述能源管理芯片是AMS1117芯片。

所述传感器节点是由数据采集模块、处理器模块I、ZigBee无线通信模块和压电电源模块构成；所述数据采集模块的输入端采集颗粒物浓度信息，其输出端与处理器模块I的输入端连接；所述数据采集模块、处理器模块I和ZigBee无线通信模块分别由压电电源模块供电；所述ZigBee无线通信模块的输入端连接处理器模块I的输出端。

所述数据采集模块由颗粒物传感器、信号处理电路和模数转换模电路块构成；所述颗粒物传感器、信号处理电路和模数转换电路依次顺序连接；所述模数转换电路的输出端与处理器模块的输入端连接；所述颗粒物传感器的输入端采集可吸入颗粒物PM2.5和PM10的浓度信息；所述颗粒物传感器采用颗粒物浓度传感器，所述颗粒物传感器能检测空气中颗粒物直径在0.3～10μg/m³之间的可吸入颗粒物浓度。

所述ZigBee-GPRS/WIFI网关节点是由ZigBee无线通信模块、处理器模块II、数据传输模块和压电电源模块组成；所述ZigBee无线通信模块的输出端与处理器模块II的输入端相连接；所述处理器模块II的输出端与数据传输模块的输入端连接；所述ZigBee无线通信模块、处理器模块II和数据传输模块分别由压电电源模块供电。

所述处理器模块I采用高性能的具有Cortex^TM-M3内核的STM32单片机；所述ZigBee无线通信模块均采用ZigBee最小系统CC2530模块。

所述处理器模块II采用高性能的具有Cortex^TM-M3内核的STM32单片机。

所述数据传输模块是由GPRS模块和WIFI模块构成；所述GPRS模块和WIFI模块的输入端分别通过串口USART0和RS232与处理器模块II的输出端相连接；所述GPRS模块通过GPRS网络与终端监测设备连接；所述WIFI模块通过无线局域网与终端监测设备连接。

所述GPRS模块通过GPRS网络与远程PC(个人计算机Personal Computer)或手机终端相连接；所述WIFI模块通过无线局域网与近程PC或手机终端相连接；所述GPRS模块选用SIM900A芯片；所述WIFI模块选用ESP8266芯片。

所述终端监测设备是近程PC、远程PC或手机终端；所述终端监测设备可通过GPRS/WIFI网络与ZigBee-GPRS/WIFI网关节点连接，供用户实时查看自身周边的可吸入颗粒物浓度监测结果。

本发明的工作原理和工作过程：

本发明一种可吸入颗粒物监测系统通过数据采集模块中的颗粒物传感器采集空气中的可吸入颗粒浓度信号，采集到的信号经滤波、放大、A/D转换进入处理器I，处理器I进行计算并存储后，通过SPI(串行外设接口Serial Peripheral Interface)总线把结果传输给ZigBee无线通信模块，ZigBee无线通信模块通过ZigBee无线传感网络把数据发送至ZigBee-GPRS/WIFI网关节点中的ZigBee无线通信模块，ZigBee-GPRS/WIFI网关节点的ZigBee无线通信模块通过SPI总线把数据传输至处理器模块II，处理器模块II再把数据进行打包通过串口传输至GPRS和WIFI模块，由GPRS和WIFI模块发送数据至终端监测设备。

传感器节点处于ZigBee无线传感网络的最底层，扮演数据采集者的角色。此类节点有两种工作模式：睡眠模式和低功耗模式。处于睡眠模式的传感器节点只监测数据而不发送数据；处于低功耗模式的传感器节点检测是否有发送数据请求信号，若有发送请求则开始发送数据，发送完毕进入低功耗模式，若没有发送请求则继续处于低功耗模式。

本发明一种可吸入颗粒物监测系统包括传感器节点，ZigBee-GPRS/WIFI网关节点和终端监测设备。其中，所述传感器节点用于采集监测区域内的可吸入颗粒物信息；所述ZigBee-GPRS/WIFI网关节点用于接收传感器节点发送的数据并通过GPRS/WIFI网络传输数据至终端监测设备，所述终端监测设备用于显示可吸入颗粒物浓度值。

传感器节点包括数据采集模块，处理器模块I，ZigBee无线通信模块和压电电源模块。其中，所述数据采集模块用于采集颗粒物浓度数据；所述处理器模块I用于对检测数据进行计算和存储，并控制ZigBee无线通信模块发送数据；所述ZigBee无线通信模块用于把数据发送至ZigBee-GPRS/WIFI网关节点；所述压电电源模块用于给传感器节点各模块供电。

颗粒物传感器能检测空气中颗粒物直径在0.3～10μg/m³之间的可吸入颗粒物浓度。信号处理电路用于对颗粒传感器采集到的信号进行滤波、放大；所述模数转换电路把模拟信号转换为数字信号。

ZigBee-GPRS/WIFI网关节点包括ZigBee无线通信模块，处理器模块II，数据传输模块和压电电源模块。其中，所述ZigBee无线通信模块用于接收传感器节点中的ZigBee无线通信模块发送的数据信息；所述处理器模块II用于对接收的数据进行分析和处理，控制ZigBee无线通信模块接收数据，同时控制GPRS模块和WIFI模块发送数据；所述数据传输模块由GPRS模块和WIFI模块组成，所述GPRS模块用于发送数据至远程终端监测设备，所述WIFI模块用于传输数据至近程终端监测设备。所述压电电源模块为ZigBee-GPRS/WIFI网关节点各模块供电。

所述ZigBee无线通信模块均采用ZigBee最小系统CC2530模块，支持ZigBee2007/PRO协议，含有业界最领先的RF无线收发器，且该模块具有低成本、低功耗、高可靠性、任意两个ZigBee无线通信模块之间可实现快速自组网等的特点。

处理器模块的选择对系统监测效率至关重要，首先数据传输量大，要求处理器的存储容量要大；其次系统具有实时性，要求处理器处理数据的速度非常快。本发明中的处理器模块均采用高性能，具有Cortex^TM-M3内核的STM32单片机，内部多达1MB的闪存和高达192KB的SRAM，保证了数据处理的速度和存储的容量。

本发明中，所述数据传输模块包括GPRS模块和WIFI模块，所述GPRS模块选用的是SIM900A，所述WIFI模块选用的是ESP8266，两种模块均支持TCP/IP协议，所述GPRS模块通过附着GPRS网络，获得网络IP地址，通过服务器与远程PC机和手机终端的IP地址相连接。所述WIFI模块有AP和STA两种数据传输模式，具体实施过程中，既可采用AP模式组建infra网络，也可采用STA模式组建adhoc网络。

压电电源模块由压电陶瓷片，能量收集芯片，可充电电池组和电源管理芯片组成，其中，所述压电陶瓷片用于把环境中机械能转变成交流电信号，所述能量转换芯片用于把交流电信号再转变成直流电信号，所述充电电池组用于存储电能，所述电源管理芯片用于控制充电电池组输出的电压和电流。利用压电发电原理收集环境中微弱的机械能通过能量转换芯片转换成电能，存储在可充电电池中，再经过电源管理芯片输出稳定的电压和电流。此供电方式，节能环保，相对于太阳能电池板供电，在光线不充足的地方，压电电源具有绝对优势。

终端监测设备可供用户实时查看远程或自身周边的可吸入浓度监测结果。对控制程序的编写均采用IAR软件平台，采用JTAG下载接口下载。

本发明的优越性在于：具有GPRS和WIFI两种数据传输方式，可同时上传数据至近程和远程的PC或手机终端，近程用户可通过无线WIFI查看自身周边的可吸入颗粒物浓度，远程的用户可通过GPRS了解远程监测点的可吸入颗粒物浓度。两种数据传输方式保证数据的实时上传，实时更新，便于用户使用。同时利用压电电源给监测节点供电，节能环保，既延长了网络寿命又降低了系统维护的难度。

(四)附图说明：

图1为本发明所涉一种可吸入颗粒物监测系统的系统整体结构框图。

图2为本发明所涉一种可吸入颗粒物监测系统中传感器节点的具体结构示意图。

图3为本发明所涉一种可吸入颗粒物监测系统中ZigBee-GPRS/WIFI网关节点的具体结构示意图。

(五)具体实施方式：

实施例：一种可吸入颗粒物监测系统(见图1)，其特征在于它包括传感器节点、ZigBee-GPRS/WIFI网关节点和终端监测设备；其中，所述传感器节点通过ZigBee无线传感网络与ZigBee-GPRS/WIFI网关节点相连接，所述ZigBee-GPRS/WIFI网关节点通过GPRS/WIFI网络与终端监测设备相连接。

所述传感器节点和ZigBee-GPRS/WIFI网关节点均采用压电电源供电；所述压电电源模块是由压电陶瓷片、能量收集芯片，可充电电池组和能量管理芯片构成；所述压电陶瓷片、能量收集芯片，可充电电池组和能量管理芯片依次顺序连接；所述能量管理芯片的输出端分别与传感器节点或ZigBee-GPRS/WIFI网关节点中的电源输入端连接。

所述压电陶瓷片是PZT压电陶瓷片，所述能量收集芯片是LTC3588-1芯片；所述可充电电池组是可充电锂电池；所述能源管理芯片是AMS1117芯片。

所述传感器节点(见图2)是由数据采集模块、处理器模块I、ZigBee无线通信模块和压电电源模块构成；所述数据采集模块的输入端采集颗粒物信息，其输出端与处理器模块I的输入端连接；所述数据采集模块、处理器模块I和ZigBee无线通信模块分别由压电电源模块供电；所述ZigBee无线通信模块的输入端连接处理器模块I的输出端。

所述数据采集模块由颗粒物传感器、信号处理电路和模数转换模电路块构成(见图2)；所述颗粒物传感器、信号处理电路和模数转换电路依次顺序连接；所述模数转换电路的输出端与处理器模块的输入端连接；所述颗粒物传感器的输入端采集可吸入颗粒物PM2.5和PM10的浓度信息。

所述颗粒物传感器采用颗粒物浓度传感器。

所述ZigBee-GPRS/WIFI网关节点(见图3)是由ZigBee无线通信模块、处理器模块II、数据传输模块和压电电源模块组成；所述ZigBee无线通信模块的输出端与处理器模块II的输入端相连接；所述处理器模块II的输出端与数据传输模块的输入端连接；所述ZigBee无线通信模块、处理器模块II和数据传输模块分别由压电电源模块供电。

所述处理器模块I和处理器模块II均采用高性能的具有Cortex^TM-M3内核的STM32单片机；所述ZigBee无线通信模块均采用ZigBee最小系统CC2530模块。

所述数据传输模块是由GPRS模块和WIFI模块构成；所述GPRS模块和WIFI模块的输入端分别通过串口USART0和RS232与处理器模块II的输出端相连接；所述GPRS模块通过GPRS网络与终端监测设备连接；所述WIFI模块通过无线局域网与终端监测设备连接。

所述终端监测设备(见图3)可以是近程PC、远程PC或手机终端；所述终端监测设备可通过GPRS/WIFI网络与ZigBee-GPRS/WIFI网关节点连接，供用户实时查看自身周边的可吸入颗粒物浓度监测结果。

所述GPRS模块通过GPRS网络与远程PC或手机终端相连接；所述WIFI模块通过无线局域网与近程PC或手机终端相连接。

所述GPRS模块选用SIM900A芯片；所述WIFI模块选用ESP8266芯片。

图1所示，通过传感器节点采集可吸入颗粒物PM2.5和PM10的浓度信息，通过ZigBee无线传感网络把监测数据传输给ZigBee-GPRS/WIFI网关节点，再通过GPRS/WIFI网络传输数据至终端监测设备。

传感器节点的具体结构如图2所示，所述处理器模块I完成对接收数据的计算和存储，控制数据采集模块采集数据，同时控制ZigBee无线通信模块发送数据；所述数据采集模块采集空气中的可吸入颗粒物PM2.5和PM10浓度信号，采集到的信号经滤波、放大、A/D转换进入处理器模块I，处理器模块利用MIE算法，计算出单位体积内不同颗粒物的数量，即颗粒物的浓度，然后存储在内部存储器中；所述ZigBee无线通信模块，在有发送数据请求时，发送数据至ZigBee-GPRS/WIFI网关节点，在没有发送数据请求时处于低功耗模式，减少节点能量消耗。

ZigBee-GPRS/WIFI网关节点的具体结构如图3所示，所述处理器模块II完成对接收数据的分析和处理，控制ZigBee无线通信模块接收数据，同时控制数据传输模块上传数据；所述ZigBee无线通信模块接收传感器节点发送的数据，通过SPI总线传输给处理器模块II；所述数据传输模块通过GPRS/WIFI网络实现了监测数据的远近程同时传输；所述GPRS模块通过GPRS网络上传数据至远程PC机和手机终端；所述GPRS还可通过SIM卡和相应的AT指令发送可吸入颗粒物浓度短信息给用户，提醒用户做好防护措施。所述WIFI模块可采用AP和STA两种数据传输模式中的任一种模式，通过无线局域网上传数据至近程PC机和手机终端。

节点的能量供应决定了无线传感网络的寿命长短，若能量供应不足，网络就无法正常工作。本实施例采用压电电源进行供电，其中，压电陶瓷片把环境中机械能转变成交流电信号，能量转换芯片把交流电信号转变成直流电信号，充电电池组存储转换的电能，电源管理芯片控制充电电池组输出稳定的电压和电流。利用压电电源不断为传感器节点和ZigBee-GPRS/WIFI网关节点补充能量，既降低网络瘫痪的危险，延长了网络寿命，又降低了系统维护的难度。