引言
近几年，我国以可吸入颗粒物（PM10）、细颗粒物（PM2.5）为特征污染物的区域性空气污染事件频发，空气污染已成为危害人类健康的隐形杀手，受到社会的高度关注。空气环境监测是空气环境治理和保护的前提，只有对空气环境状况有了全面、正确、具体的了解，才能实施有效、及时的防治措施。《大气污染防治行动计划》[13]明确指出，要提高环境监测能力，建设城市站、区域站统一布局的国家空气质量监测网络，加强监测数据质量管理，客观反映空气质量状况。
本文综合运用多种物联网信息感知手段，结合近距离的ZigBee无线传感网络及远距离的GPRS、3G等远程无线数据传输手段及Web编程技术，实时采集空气污染物参数，通过上位机监控软件实时发布采集的数据，为计算空气质量指数AQI与预警污染事件提供基础数据，组建完整的空气环境监测体系。
1系统体系结构设计
整个系统主要包括ZigBee数据采集终端节点、GPRSZigBee网关和基于B/S模式的智能监测软件3个部分，其体系结构如图1所示。
（1）ZigBee数据采集终端节点。主要实现采集空气污染数据（如：PM10、PM2.5、CO、NO2、SO2等）并上传，供高端分析处理；接收并执行高端发送的不同方式的控制命令；通过ZigBee协议组成网络并根据不断变化的网络现状进行动态拓扑，对同一网段内命令进行存储转发，维持整个网络的有效通信。
（2）GPRSZigBee网关。发送命令到ZigBee数据采集终端节点或接收ZigBee数据采集终端节点上传的数据；以GPRS方式与高端通信，接收高端发送的命令并将命令下传给ZigBee数据采集终端节点，定时发送心跳包维持通信链路，将ZigBee数据采集终端节点状态信息反馈到高端。
（3）基于B/S模式的智能监测软件。包括远程更新管理软件和通信软件两个部分。远程更新管理软件以大型商用数据库SQL Server2022为基础，采用B/S模式，提供ZigBee数据采集终端节点测控、状态显示、污染预警、数据统计、报表生成等功能；通信软件使用多线程的异步Socket机制，实现通信的高稳定性与高可靠性。
2系统实现
2.1ZigBee数据采集终端节点实现
ZigBee数据采集终端节点硬件结构如图2所示，实现ZigBee数据采集终端节点远程更新的底层软件设计。
ZigBee数据采集终端节点选择飞思卡尔的32位ARM+RF一体化低功耗芯片KW01作为主控MCU，满足ZigBee网络低功耗、近距离、双向传输特点；参考环保部门制定的空气质量检测标准，选择相应的数字式传感器对空气环境中PM10、PM2.5、CO、NO2、SO2、温湿度、风速风向数据进行检测。
在ZigBee数据采集终端节点硬件设计上，为实现节点的灵活性和可扩展性，采用分层结构将其分为通信模块和扩展板两个部分。通信模块包括无线功放模块以及接口设计。扩展板主要为测试和方便使用通信模块而设计，包括RS232、指示灯、BDM接口、USBRS232转换、AD接口等。
在ZigBee数据采集终端节点设计远程更新软件，首先解析KW01的机器码文件、链接文件和存储空间，设计无线通信和相关模块的驱动程序；设计适合于节点远程更新的RUPNP网络协议，使更新网络和实际网络分离，更具有通用性；为避免重定位问题，通过修改链接文件将监控程序的存储空间和用户程序空间分离；设计超时机制，有效解决节点异常复位后进入监控程序空等的数据帧问题。
2.2GPRSZigBee网关实现
GPRSZigBee网关是应用层服务器和该段传感网络中ZigBee数据采集终端节点的联系纽带，包括主控模块和Link（链接）节点两部分，结构如图3所示。
GPRSZigBee网关通过GPRS移动通信模块和应用层服务器进行双向通信。从应用层服务器接收数据，进行解析、处理、封包等操作。将需要发送到传感网络中的数据通过Link节点发送给ZigBee数据采集终端节点；接收ZigBee数据采集终端节点上传的数据信息，解析、封装，通过移动通信模块回传给应用层服务器[47]。
GPRSZigBee网关的硬件结构包括Kinitis K64最小系统、EM770W模块、GPRS模块（EM310）、SPI/PWM/I2C接口、串口测试接口、Link节点、用于辅助和测试的LCD模块等，如图4所示。
2.3智能监测软件实现
基于B/S模式的智能监测软件设计包括通信软件和远程更新管理软件两部分。
通信软件单纯负责通信，获取数据库中未发送的数据，发送数据给GPRSZigBee网关，从GPRSZigBee网关中接收由底层上传的返回数据放入数据库中，提供给远程更新管理软件。通信软件使用Socket（套接字）实现TCP通信机制。通信软件被设计为Service形式，作为一个应用服务运行在监控中心的服务器上，一直侦听TCP相关端口，保持和GPRSZigBee网关通信，采用异步Socket编程机制实现网络服务的C/S通讯构架[8]。
远程更新管理软件包括GPRSZigBee网关和ZigBee数据采集终端节点两种远程更新模式。整个软件设置4个模块，分别为系统配置、ZigBee数据采集终端节点远程更新、 GPRSZigBee网关远程更新、系统管理模块，如图5所示。
3结语
建设新型空气环境智能监测系统已成为环境保护发展趋势，以提高空气环境质量信息采集、传输、统计、报告和监测数据的综合利用率。本文通过研发ZigBee数据采集终端节点、GPRSZigBee网关和基于B/S模式的智能监测软件，实现对空气环境中的污染数据进行实时采集和分析，方便公众了解空气污染情况及变化规律，从而有针对性地采取有效措施减少污染物排放，为人民群众的健康出行提供参考，为相关监管机构制定环境保护决策提供数据依据。
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