大气物联网环境监测系统开发

摘 要

　　近年来，随着工业现代化的不断推进，各种污染气体的排放量也急剧增加，使得大气环境污染越来越严重，尤其是城市地面大气环境中污染气体时空分布呈现复杂化、多样化和局域化的趋势。传统的大气环境监测仅依靠零星分布的监测基站、人工采样、人工分析，早已不能全面、准确的反应大气污染状况，建立一个密集节点分布、易组网，能够实时、有效、全面的监测大气环境信息的监测系统势在必行。

　　物联网技术的飞速发展以及安卓智能手机在日常生活中的普及，为本文设计的面向安卓终端的物联网监测系统提供了必要条件。本文详细的阐述了该系统的总体设计方案，其主要分为三部分：数据采集端(监测节点)、服务器端和数据展示终端(Android App)。数据采集端将采集到的大气环境信息通过 GPRS 通信上传到服务器端；服务器端负责接收信息、对信息进行分类和存储、支持多种方式查看实时大气环境信息和历史大气环境信息、查看监测节点分布、对监测节点和工作人员进行管理；数据展示终端通过访问服务器端数据库和调用百度地图 API 将大气环境信息及时、有效的展示给普通用户。

　　具体研究内容如下：(1)在数据采集端，主控芯片 LPC2138 将模拟的大气环境信息经过放大、A/D 转换后转变成数字信号，通过 GPRS 模块上传到服务器端。负责采集信息的传感器阵列由四种电化学式气体传感器和 SHT10 温湿度传感器组成，能够实时采集大气环境中 NO2、SO2、CO、O3四种气态污染物基本项目浓度和温湿度；数据采集端体积小、布设便捷，可根据城市的功能区、污染源和监测目的的不同随时调整布设密度和高度。(2)在服务器端，接收窗口对端口创建 ServerSocket 来实时接收数据采集端上传的大气环境信息，并对该信息进行分类后存储在数据库相应表中，同时服务器端的监控中心可以查看监测节点的分布情况、实时大气环境信息和历史大气环境信息，还可以对监测节点和系统管理人员进行增、删、改、查等操作。(3)数据展示终端是一款基于 Java 语言开发的安卓手机App(Application),采用 C/S 模式，能够读取服务器的数据库表，实现的功能有用户注册与登录、地点查询、手机定位、数据读取和显示。

　　关键词：大气环境监测，物联网，GRPS 模块，服务器，安卓 App

Abstract

　　In recent years, with the continuous promotion of industrial modernization, contaminating gas emissions increased dramatically, the air environmental pollution is being serious, especially the temporal and spatial distribution of city gas pollution of ground atmospheric complicated and the trend of diversification and localization. The traditional atmospheric environmental monitoring system only relied on the monitoring station by artificial sampling and manual analysis, which has not been able to fully and accurately reflect the situation of atmospheric pollution. Thus it is necessary to set up a monitoring system with dense node distribution for the monitoring of atmospheric environment information in real time.

　　The rapid development of the Internet of Things technology and the popularity of Android smart phones in daily life provide the necessary conditions for the design of Android client's Internet of things monitoring system. This paper describes in detail the overall design of the system, which mainly consists of three parts: the data acquisition terminal (monitoring node), the server terminal and the data display terminal (Android App). The data acquisition terminal uploads the collected atmospheric environment information to the server terminal through the GPRS module. The server terminal is responsible for receiving information, classifying and storing information, checking real-time environmental information and historical environment information in a variety of ways, viewing monitoring node distribution, managing of monitoring nodes and staff, and the data display terminal displays the atmospheric environment informationto the users in real time by reading and writing the server database and calling the Baidu map API.

　　The specific studies are as follows: (1) In the data acquisition terminal, the control chip LPC2138 will upload the simulate atmospheric environment information to server terminal through the GPRS module after amplification and A/D. The sensors array for collecting information consisted of four kinds of electrochemical gas sensors and SHT10 temperature and humidity sensors. It can collect four kinds of the pollution gas (NO2, SO2, CO, O3) concentration and the temperature and humidity in real time. The data acquisition terminal with the advantages of small volume, convenient layout can be adjusted according to the functional area, the city's pollution source and detection purposes. (2) At the server terminal, the receiving window receives the atmospheric environment information from the data acquisition terminal in real-time by creating ServerSocket for a specific port and then classifies and stores the information in the corresponding table in the database. Meanwhile, the monitoring center can check the distribution of nodes, real-time environmental information, historical environment information, and add, delete, change or check the nodes and the system administrators. (3) The data display terminal is an Android App (Application) developed on the basis of Java language, using the model of client/server, having reading and writing operations to the database table, to achieve the function of user registration and login, location query, mobile phone positioning, data query and display.

　　Key Words:atmospheric environmental monitoring, Internet of Things, GRPS module, server,AndroidApp

　　随着我国城市化进程的不断加快，大量的就业岗位、完善的医疗体系、先进的基础教育设施等吸引着大量的人口聚集在城市中，导致城市人群密度急剧增大。一方面，城市化进程满足了人民日益增长的物质文化需求、提高了人民的生活水平；另一方面，城市化进程导致的人口密集聚集也带来了诸多问题，化石能源的大量消耗、住房紧张、交通拥堵、环境污染等问题也越来越严重，尤其是城市地表大气环境正面临着巨大的挑战[1]。当前，酸雨、雾霾等极端天气在我国频繁发生，诱发呼吸道疾病，破坏地表环境和建筑物，给人们的生产生活、身体健康和社会的可持续发展造成极大的阻碍[2]。

　　由于城市人口不断增加、地缘面积不断扩大，城市内部的功能区分布越来越复杂，居住区、商业区、工业区、绿化区等各功能区边界互相重叠，给大气环境的监测与治理带来巨大的挑战[3]。在城市的工业区内，工厂相比于其它地区分布密度较大，工业废气排放量也明显大于其他功能区，尤其是工业废气中的二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳是形成酸雨的主要酸性气体；在商业区和居住区内，主要的污染气体来源于汽车尾气以及冬季供暖期间废气中的 CO、氮氧化物等；在绿化区，如公园、湖泊等地方，污染源较少，大气环境相对较好。针对城市内不同功能区污染物排放量以及种类的不同，环境监测系统的采样点密度要有所调整，在工业区内布设监测点位要最多，商业区、居住区内次之，绿化区内布设点位最少[4]。同时针对不同污染源和监测目的，需要对环境监测系统的采样点的高度进行调整，例如在居住区和商业区的监测目的是研究污染气体对人们生活的影响，所以环境监测系统采样点的高度一般设置为 1.5 米至 2 米；而在绿化区内，环境监测系统采样点应放置在主要植被的高度附近[5]。

　　传统的大气环境监测系统，依靠的是在城市内分布零散的若干个气象站、人工采样、测量、分析与信息发布。主要缺点为：(1)气象监测站数量少，监测数据不能全面、准确的反映城市大气环境污染状况；(2)气象监测站体积大，并且还需要周边一定范围内不能有建筑物等的遮挡，采样点相对固定，不便于进行调整；(3)监测过程需要大量的人工参与，每天信息采集的次数有限，尤其是夜间，大气环境信息更新滞后性很大；(4)最终展示给人们的大气环境信息受人为因素影响大，监测部门工作人员操作流程是否规范、发布的污染物浓度信息是否真实有效都会对大气环境保护的预防与治理产生重大影响[6][7]

　　。本文设计的面向安卓终端的大气物联网环境监测系统，数据采集端以 ARM 芯片为微处理器，将电化学式传感器测得的大气环境信息通过 GPRS 模块上传到服务器端的数据库中，系统管理人员和普通群众可以同时查询到实时大气环境信息，从环境信息的采集、传输、存储到显示全部实现自动化，无需人工参与。设计的数据采集端体积小，功耗低，传输距离足够远，能够进行连续性采样，实时性好，可以根据需要随时调整监测点分布密度和高度，针对当前城市上空复杂的大气污染状况，能够有效、全面的监测大气环境信息。

　　本文设计了一个面向安卓终端的大气物联网环境监测系统。从数据采集端的软硬件设计和服务器端与安卓客户端的软件开发等方面展开工作，设计完成一个监测节点密集分布，易组网，稳定性好、性价比高、能够实时、有效、全面的监测复杂大气环境的监测系统。本论文的内容主要分为以下几个部分：

　　(1)第 2 章介绍了本次设计的整体方案。系统主要分为数据采集端、服务器端和数据展示终端。对数据采集端(监测节点)中的传感器进行选型，并确定了相应的微处理器以及传感器驱动电路，根据监测节点布局要求确定了其通信方式。在服务器端和数据展示终端基于 Java 语言分别设计了接收窗口、数据库表、监控中心和安卓 App。

　　(2)第 3 章介绍了系统数据采集端的软硬件设计。数据采集端电路主要由主控芯片单元、传感器阵列模块、信号调理单元、GPRS 通信模块组成。电化学式传感器将气体浓度信息转换成电信号，经可调放大和模数转换后经由 GPRS 模块上传到服务器端。

　　(3)第 4 章介绍了系统服务器端的软件设计。服务器端软件设计包括接收窗口、数据库表和系统监控中心。接收窗口接收数据采集端上传的大气环境信息，对其分类后存储在数据库相应表中，监控中心可以查看实时大气环境信息和历史大气环境信息、查看数据采集端分布情况、对数据采集端和系统工作人员进行管理。

　　(4)第 5 章介绍了系统数据展示终端的软件设计。数据展示终端是一款基于 Java 语言开发的安卓 App。主要实现的功能有用户注册与登录、地点查询、手机定位、实时数据读取和显示。

　　(5)第 6 章对本文设计的监测系统做了总结与展望。

　　大气物联网环境监测系统功能演示：

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目 录

　　第 1 章 绪论
　　　　1.1 课题研究背景与研究意义
　　　　1.2 大气环境监测系统的研究现状
　　　　1.3 本论文的主要研究内容
　　第 2 章 大气环境监测系统设计方案
　　　　2.1 大气环境监测系统的概述
　　　　2.2 大气环境监测系统设计要求
　　　　2.3 总体设计方案
　　　　2.4 本章小结
　　第 3 章 大气环境监测系统数据采集端的软硬件设计
　　　　3.1 传感器阵列模块硬件设计
　　　　　　3.1.1 传感器的选择
　　　　　　3.1.2 金属氧化物半导体电阻式气体传感器特性及应用电路设计
　　　　　　3.1.3 固体电解质气体传感器特性及应用电路设计
　　　　　　3.1.4 SHT10 温湿度传感器特性及应用电路设计
　　　　　　3.1.5 传感器阵列模块原理图及 PCB
　　　　3.2 GPRS 模块硬件设计
　　　　　　3.2.1 通信方案的选择
　　　　　　3.2.2 GPRS 模块原理图及 PCB
　　　　3.3 数据采集端主控板硬件设计
　　　　　　3.3.1 电源模块
　　　　　　3.3.2 微处理器单元
　　　　　　3.3.3 信号调理单元
　　　　　　3.3.4 数据采集端主控板原理图及 PCB
　　　　3.4 数据采集端软件设计
　　　　　　3.4.1 数据采集端软件架构
　　　　　　3.4.2 温湿度采集
　　　　　　3.4.3 气体浓度采集
　　　　　　3.4.4 数据整合与数据发送
　　　　3.5 本章小结
　　第 4 章 大气环境监测系统服务器端的软件设计
　　　　4.1 集成开发环境的构建
　　　　4.2 服务器端接收窗口的设计
　　　　4.3 数据库的设计
　　　　　　4.3.1 数据库表的设计
　　　　　　4.3.2 数据库各种表之间的关系
　　　　4.4 服务器端监控中心的总体设计
　　　　4.4.1 监控中心的功能结构
　　　　　　4.4.2 工程层次划分
　　　　4.5 软件窗口设计与功能实现
　　　　　　4.5.1 登录窗口
　　　　　　4.5.2 主窗口
　　　　　　4.5.3 主窗口菜单
　　　　4.6 本章小结
　　第 5 章 大气环境监测系统数据展示终端的软件设计
　　　　5.1 Android 简介
　　　　　　5.1.1 Android 的系统框架
　　　　　　5.1.2 Android 开发环境的搭建
　　　　5.2 信息展示终端的总体设计
　　　　　　5.2.1 总体流程
　　　　　　5.2.2 工程层次划分
　　　　5.3 页面设计与功能逻辑
　　　　　　5.3.1 闪屏与登录页面
　　　　　　5.3.2 查询与定位页面
　　　　　　5.3.3 信息显示与地图全屏页面
　　　　5.4 本章小结
　　第 6 章 总结与展望
　　　　6.1 总结
　　　　6.2 展望
　　参考文献
　　作者简介
　　致 谢

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