第３３卷 第１１期 ２０１３年１ １月 物 理 实 验 Ｐ｝＝ｌＹＳＩＣＳ ＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴＡＴＩＯＮ ＶｏＩ＿３３ ＮＯ．１ｌ ＮＯＶ．，２０１３ 基于ＺｉｇＢｅｅ的大气污染物监测研究 魏胜非ｈ～，李忠民 ，张 玲。，许德玄ｈ （１．东北师范大学ａ．环境学院；ｂ．物理学院，吉林长春１３００２４； ２．长春理工大学理学院，吉林长春１３００２２） 摘要：为了加强对大气颗粒物的监测，提出了应用物联网ＺｉｇＢｅｅ技术进行监测大气污染物的方法，并设计了相应 的物联网节点．在３个区域内的物联网监测和传统人工方法实验结果表明：２种方法所取得的数据高度相关，因此物联 网蛉测可以用于大气污染物监测． 关键词：ＺｉｇＢｅｅ；大气污染物；颗粒传感器 中图分类号：Ｘ５１３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００５—４６４２（２０１３）１１－０００８—０３ １ 引 言 大气环境随着工业化和居民的现代化生活水 平的不断提升而变得越来越恶劣．近年来围绕着 许多大城市的雾霾使人们对现在的生活方式不得 ２．２ ＺｉｇＢｅｅ技术 ＺｉｇＢｅｅ技术是一种面向自动化和无线控制 的低速率、低功耗、低价格的无线网络方案．Ｚｉｇ— Ｂｅｅ技术是基于ＺｉｇＢｅｅ协议的短距离、低复杂 度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信 技术，具有１６个扩频通信信道．ＺｉｇＢｅｅ协议是由 ＺｉｇＢｅｅ联盟制定的无线通信标准，它以 １ＥＥＥ８０２．１５．４标准定义的物理层及ＭＡＣ（介质 访问控制协议：ｍｅｄｉａ ａｃｃｅｓｓ ｃｏｎｔｒｏ１）层为基础， 不进行深刻的反思．汽车的保有量增加，尾气排 放激增，热电、钢铁、水泥企业是向大气排放污染 物的大户．尽管汽车的尾气治理工作在不断地加 强，一些大型的工厂被搬离市区，但是北方取暖的 热电企业是保证人民生活的基本需要，它是不能 远离市区的，因此对热电企业的大气排放物的治 理是非常重要的．治理的前提是对大气环境的在 线监测．由于监测范围很大，因而应用物联网技 术是一种较好的选择． 并对其进行了扩展，对网络层协议和ＡＰＩ进行了 标准化，定义了灵活、安全的网络层．此外，Ｚｉｇ— Ｂｅｅ联盟还制定了应用接口层、高层应用规范等． 它具有省电、可靠、廉价、短时延、大网络容量、安 全等特点 ． ２基于Ｚｉｇｂｅｅ的物联网技术 ２．１ 物联网 ３物联网系统 ３．１系统框图 基于ＺｉｇＢｅｅ的大气污染物排放监测系统是 以监测热电、炼钢等企业污染物排放为主要目的， 物联网被称为继计算机和互联网后的第３次 技术．它是由大量部署在监测区域内的具有 感知、计算和无线通信能力的传感器节点通过自 组织方式构成的网络．它综合了微电子技术、嵌 从而加强对这类企业的监管；同时这些企业也可 以根据监测到的数据对高压静电除尘设备的工作 状况进行合理调整．整个物联网系统由监测节 点、汇聚节点、ｌｎｔｅｒｎｅｔ、管理节点组成，其结构如 图１所示．在监澳０区域内随机部署监测节点，各 节点根据协议组建网络并进行工作任务划分以获 入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式 信息处理技术，能够根据环境自主完成监测、目标 发现、识别与跟踪等任务．作为一种新的信息获 取方式和处理模式，物联网目前已成为国内外备 受关注的研究热点 ． 取监测区域信息，经过处理后通过多跳路由送往 收稿日期：２０１３一（）８一ｌ１ 资助项目：吉林省科技厅项目资助（Ｎｏ．２ｏ１３Ｏ２ｏ６。（）５ＳＦ） 作者简介：魏胜非（１９６４一），男，吉林省吉林市人，东北师范大学物理学院副教授，博士研究生，研究方向为传感器以及 通信． 第１１期 魏胜非，等：基于ＺｉｇＢｅｅ的大气污染物监测研究 汇聚节点，然后送往Ｉｎｔｅｒｎｅｔ，监测数据由Ｉｎｔｅｒ— ３．３．２颗粒监测传感器 ｎｅｔ到达管理节点，用户通过管理节点对传感器 网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监 颗粒监测传感器由压电晶体、振荡电路、高压 静电电路等组成．其工作原理是使空气以恒定流 测数据 ． ｏ Ｏ ｏ ｏ 。 监测节点 图１物联网系统示意图 ３．２ ＺｉｇＢｅｅ的拓扑 ＺｉｇＢｅｅ有３种拓扑结构：星型结构、树形结 构和网状结构．星型结构实现起来比较容易，但 是中心节点出现问题，整个网络都将受影响；树形 结构能够组成覆盖范围比较广的网络，但是这种 方案在中间节点失效的情况下，会使某些终端节 点失去连接；网状结构网络伸缩性好，在个别链路 和终端节点发生失效时，不会引起网络断开．因 此，基于ＺｉｇＢｅｅ的大气污染物排放监测系统采用 网状拓扑结构［３。］． ３．３ ＺｉｇＢｅｅ网络节点 ３．３．１ ＺｉｇＢｅｅ节点结构 基于ＺｉｇＢｅｅ协议的物联网节点需要具备３ 个条件：１）带有串行外围接口或者其他接口的控 制器；２）支持ＺｉｇＢｅｅ协议ＲＦ射频（首发）芯片； ３）天线、印刷电路板天线或者单极天线均可．节 点结构如图２所示． 图２ ＺｉｇＢｅｅ节点结构图 控制器及ＲＦ射频（首发）芯片采用２５３０模 块．ＣＣ２５３０是物联网常用芯片．它是用于 ２．４ ＧＨｚ的ＺｉｇＢｅｅ应用的一个真正的片上系统 解决方案．它能够以非常低的总的材料成本建立 强大的网络节点．该芯片结合了领先的ＲＦ收发 器的优良性能，业界标准的增强型８０５１ＣＰＵ，系 统内可编程闪存．ＣＣ２５３０具有不同的运行模 式ｌ５］，这使得它尤其适应超低功耗要求的系统． ＣＣ２５３０运行模式之间的转换时间短，确保了低 能源消耗． 量进入由高压放电针和微量石英谐振器组成的静 电采样器，在高压电晕放电的作用下，气流中的颗 粒物全部沉降于测量谐振器的电极表面上，因电 极上增加了颗粒物的质量，其振荡频率发生变化， 根据频率变化可测定可吸入颗粒物的质量浓度． ４节点软件设计 节点软件设计可分为：系统初始化、数据采集 和处理、无线通信和系统休眠４部分．系统初始 化主要是对颗粒监测传感器的初始化．数据采集 和处理及无线通信部分均由ＣＣ２５３０模块完成． 本系统在主程序中采用了定时采集数据与根据需 要采集数据２种方式．在大气颗粒监测中没有出 现异常状况时每隔２４ ｈ发送１次数据，然后接收 命令并进行相应的处理，如果出现异常状况或者 需要即时采集则被唤醒进入中断服务程序，完成 后重新进入低功耗模式ｒ１］．节点采用定时唤醒机 制，以最大限度节省节点能源． ５ 系统实验方法及数据分析 为了验证系统的实际运行效果设计了物联网 监测系统实验．实验采用对比方式进行．以传统 实验为金标准，实验数值取３次实验的均值．物 联网节点分别在监测区域内随机放置３个节点． 每个节点距离在７０ ｒｎ内．实验区域分别设定为３ 个区域：森林公园内、城区某街道旁、某小区锅炉 房附近．数据对比见表１． 表１ ３个节点回传数据与传统实验数据比较表 测量区域节点序号— Ｏ．１１ 森林公园内 ０．０９ ０．１３ ０．２２ 城区某街道旁 ０．３５ ０．３３ ０．９１ 某小区锅炉房 Ｏ．９８ 附近 １．Ｏ７ Ｏ１０ 物 理实验 第３３卷 由于公园位于城市郊区，所测得的颗粒质量 并设计了相应的物联网节点．在３个区域内的物 浓度较小，同时该地区大范围的森林覆盖也是颗 联网监测和传统人工方法实验结果表明：基于 粒物质量浓度较低的原因．这也证明了大范围的 ＺｉｇＢｅｅ的大气污染物排放监测网络可以回传所 绿化是减少颗粒物的重要途径．由于街道位于城 测数据，物联网所测数据同传统方法所测数据高 市繁华区，所测得的颗粒质量浓度较公园组有较 度相关，基于ＺｉｇＢｅｅ的大气污染物排放监测网络 大增加．锅炉房的烟囱排出的黑烟肉眼可见，此 可以用于实际监测． 处所测得的颗粒质量浓度较２组有较大增加． 将表１中的传统方法测量数据同物联网的节 参考文献： 点数据进行处理，以计算出两者的相关系数．经 Ｅｌｉ刘丽．基于Ｚｉｇｂｅｅ技术的无线传感器网络在水质 计算Ｒ公园：０．９６，Ｒ街道＝＝＝０．９７，Ｒ锅炉房一０．９３，说 监测系统中的应用［Ｊ］．安徽职业技术学院学报， 明传统方法同物联网节点监测方法是紧密相关 ２００９，８（１）１４—１７． 的．３个区域的监测结果可以反映出颗粒物质量 Ｅ２３齐文启，陈光，孙宗光，等．大气颗粒物监测分析及 浓度同所处的环境紧密相关．物联网节点监测可 今后研究课题［Ｊ］．中国环境监测，２００３，１９（１）：１一 ｌ１． 以用于上述区域的监测．从监测数据也可以发 ［３］ 魏胜非，陈彩云，陈菊芳，等．基于ＷＳＮ协议的取 现，污染严重区域２种方法的偏差较大，这可能是 水环境急性毒物监测研究［Ｊ］．物理实验，２０１３，３３ 由于污染严重地区颗粒物分布不均匀造成的，同 （３）：４３—４８． 时也不排除该区域内由于锅炉运行、引风机等强 ［４］ 昂志敏，金海红，范之国，等．基于ＺｉｇＢｅｅ的无线传 电设备造成的电磁污染对通信信号的干扰． 感器网络节点的设计与通信实现［Ｊ］．现代电子技 术，２００７（１０）：４７—４９． ６ 结束语 ｒＬｕ ］ 王殊，阎毓杰，胡富平，等．无线传感器网络的理论 为了加强对大气颗粒物的监测，提出了应用 及应用［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社， 物联网ＺｉｇＢｅｅ技术进行监测大气污染物的方法， ２００７：８Ｏ一９５． Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｐｏｌｌｕｔａｎｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＺｉｇＢｅｅ ＷＥＩ Ｓｈｅｎｇ—ｆｅｉ ～．ＬＩ Ｚｈｏｎｇ—ｍｉｎ ，ＺＨＡＮＧ Ｌｉｎｇ ，ＸＵ Ｄｅ—ｘｕａｎ （１ ａ．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｔｙ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ；ｌ ｂ．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ， Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １ ３００２４，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００２２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎ ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ，ａ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＺｉｇＢｅｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｎｏｄｅｓ ｗｅｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｗｅｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｂｙ ＺｉｇＢｅｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｍａｎｕａｌ ｗａｙ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｉｎ ｔｈｒｅｅ ｒｅｇｉｏｎｓ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎ— ｔａｌ ｄａｔａ ｏｆ ｔｗｏ ｍｅｔｈｏｄｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄａｔａ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｂｏｔｈ ｍｅｔｈｏｄｓ ｗｅｒｅ ｈｉｇｈｌｙ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｖｅ ａｎｄ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ Ｚｉ．ｇＢｅｅ ｍｅｔｈｏｄ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｍｏｎｉｔｏｒ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｐｏｉｌｕ— ｒａｎｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＺｉｇＢｅｅ；ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｐｏｌｌｕｔａｎｔ；ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｅｎｓｏｒ ［责任编辑：任德香］
