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空间信息实验报告

雾霾探测系统的无线传输

学号 01124019 01124010

姓名 周善政 雷宗茂

雾霾探测系统的无线传输

一、雾霾概述

1.1雾霾概念

雾霾，顾名思义是雾和霾。但是雾和霾的区别很大。空气中的灰尘、硫酸、硝酸等颗粒物组成的气溶胶系统造成视觉障碍的叫霾。从中国气象局2013年2月新闻发布会上获悉，入冬以来，中东部大部地区雾霾频发，雾霾日数普遍在5天以上。气象专家表示，造成雾霾天气偏多、偏重的原因主要有以下三方面：

一是1月影响我国的冷空气活动较常年偏弱，风速小，中东部大部地区稳定类大气条件出现频率明显偏多，尤其是华北地区高达64.5%，为近10年最高，易造成污染物在近地面层积聚，从而导致雾霾天气多发；

二是我国冬季气溶胶背景浓度高，有利于催生雾霾形成；

三是雾霾天气会使近地层大气更加稳定，会加剧雾霾发展、加重大气污染。雾霾天气形成既受气象条件的影响，也与大气污染物排放增加有关，建议进一步加大大气环境治理和保护力度，特别是要加强多部门会商联动，完善静稳天气条件下大气污染物应急减排方案，以防范和控制重污染天气的出现。 1.2我国现状

2014年2月20-26日，持续7天的重度雾霾天气更是北京市数年来持续时间最长、空气质量最严重的一次。部分站点PM2.5小时浓度超过每立方米550微克，达到空气质量指数AQI评价的浓度上限，即所谓的“爆表”。国外对此空气的评价是，“有毒！”

气象的变化与人类生活紧密相关，直接影响着人类从事生产劳动、交通运输、航空航天等活动。气象观测是基础理论与现代科学相结合，多学科交叉融合的独立学科，在大气科学发展方面起着至关重要的作用，处于大气科学发展的前沿。气象观测的信息和数据是开展天气预警预报、气候预测预估、气象服务及科学研究的基础，为促进大气科学发展提供科学依据.

二、初期基于物联网的PM2.5检测模型结构设计

初期设计构想出了一种基于物联网的人体可吸入颗粒PM2.5浓度监测模型，由传感器检测模块、路由器传输模块、数据汇集模块以及上位机模块组成。传感器检测模块用于获取雾霾环境下的人体可吸入颗粒PM2.5浓度信息，同时将信息传递到路由器传输模块；路由传输模块则将获取的信息反馈到数据汇集模块进行相关的操作；数据汇集模块将完成操作的信息反馈到上位机模块，再通过上位机模块对信息进行分析、显示和报警。

上述分析的人体可吸入颗粒PM2.5浓度监测模型，可确保户在任何时间、地点和任何环境条件下，得到有效的人体可吸入颗粒PM2.5浓度信息，

检测模型的结构图用图1描述。

2.1传感器检测模块

传感器检测模块由人体可吸入颗粒PM2.5浓度传感器、末级微控制器和末级zigbee收发器组成；人体可吸入颗粒PM2.5浓度传感器用于获取人体可吸入颗粒PM2.5浓度信息，再采用A/D变换方法对PM2.5浓度信息进行分析后反馈到末级微控制器；末级微控制器对获取的信息分析分析，采用末级zigbee收发器传递到路由器传输模块，如图2所示。

2.2 路由器传输模块

路由器传输模块由初始位置路由器节点、中继位置路由器节点、初始位置路由器节点的地1、2级微控制器、第1、3级zigbee收发器、中继位置路由器节点的第2级微控制器、第2、3级zigbee收发器组成。初始位置路由器节点采用第1、3级zigbee收发器，获取传感器检测模块反馈的信息，将信息传输至第1、2级微控制器，并进行相关的操作，再采用第1、3级zigbee收发器，将操作完的信息到中继位置路由器节点；中继位置路由器节点通过第2、3级zigbee收发器，获取初始位置路由器节点中的信息，并将信息传递到第2、2级微控制器，同时对信息进行相应的操作，再采用第2、3级zigbee收发器将操作完的信息反馈到数据汇集模块，如图3所示。

2.3 数据汇集模块

数据汇集模块包括1级微控制器以及2级zigbee收发器，如图4所示。2级zigbee收发器用于采集路由器传输模块反馈的PM2.5浓度信息，并且将信息传递到1级微控制器进行相关的操作，过滤无价值数据信息，1级微控制器管理2级zigbee收发器，同时将操作完的信息反馈到上位机模型中。

三、无线传感技术选择

传统传感器网络最早在上世纪年代出现，其已经拥有连接控制器与点对点传输的雏形，

此为第一代传感器网络。随着科学技术的发展，传感器网络逐步向能够获取多种信号及综合处理能力的方向发展，此为第二代传感器网络。上世纪年代开始，传感器网络已经结合了当时先进的现场总线技术，能够连接大量多功能传感器组成智能化传感器网络，并通过无线连接技术进行通讯，至此无线传感网络逐渐形成。

未来的网络传输技术将向着以下几方面发展：低成本实现高速率传输、适应多种环境、尽带简化的网络通信基础设施。具有较高灵活性的无线传感技术必将在今后的通信网络中扮演着重要的角色。

无线传感技术是依靠分布于被测区域内的若干网络节点获取信总的。其节点具有一定的运算能力，各网络节点通过特定网络协议进行通讯。无线传感网络能够在目标区域内进行定位、识別、跟踪、探测等。目前最先进的微型传感器已经具计算、感知与通讯能力。

3.1各种定位技术的比较

表1 Zigbee与其他无线定位技术比较

通过以上对比不难发现，利用ZigBee技术实现定位系统，满足系统功耗低、成本低、体积小、延时短、复杂度低、信号传输不受视距影响等性能要求，而且其工作频段是全球免

费开放的，这些特性弥补了GPS和手机定位的不足之处。虽然ZigBee通信距离较近，但是仍远大于超声波、红外、RFID等技术的通信距离，且不受非视距传播影响，设计时在系统中使用了射频放大器和低噪声放大器，这就有效的增加了传输距离，使之能够满足系统整体要求。另外，ZigBee网络容量大，可以用一个设备检测识别多个设备，这也是其独特的优势所在。

3.2ZigBee定位技术的优点

目前的定位技术除了具有各自的优势外，都存在着一些不足之处:包括定位精度低、定位范围小、受视距影响大、应用范围有限、抗干扰能力差、信息安全性差、价格较高、功耗较大、收发器体积较大等等。为克服现有技术的上述缺点，本文提出了一种新的定位方案—基于ZigBee的定位技术。ZigBee技术弥补了低成本、低功耗和低速率无线通讯市场的空缺，其成功的关键在于丰富而便捷的应用，而不是技术本身。另外，通过对探测系统硬件和软件的设计，明显提高了系统的通信距离和定位精度，改善了系统抗干扰能力和安全性能，收发器尺寸llcm*5cm*lcm，仅为普通手机大小。

ZigBee是一种新兴的短距离、低速率的无线网络技术，是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。它有自己的无线电标准(IEEE 802.15.4），在数千个微小的传感器之间相互协调通信以实现定位，这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。ZigBee技术具有以下特点:

（1）低功耗。由于ZigBee传输速率低，传输数据量很小，因此信号的收/发时间短;而在非工作模式时，ZigBee节点又处于休眠模式。加之设备的搜索、体眠激活和信道接入延时都很短，且发射功率仅为1mW，因此ZigBee设备非常省电。两节五号电池支持一个节点长达6个月到2年左右的使用时间。相比较，蓝牙能工作数周、Wi-Fi可工作数小时;

（2）低成本。与GPS相比，ZigBee RF收发器与MCU集成在一起，成本不及GPS硬件的1/10，功耗也只是GPS硬件的一小部分。通过大幅度简化协议(不到蓝牙的1/10)，降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至4KB代码，而且ZigBee协议免专利费;

（3）低速率。ZigBee在不同的工作频段有不同的数据传输速率，但都处于较低的速率。在2.4GHz频段，有10个速率为250kpbs(或62.Sksymbol/s)的信道;在915MHz频段，有16个速率为40kpbs(或40ksymbol/s)的信道;在868MHz频段，有1个速率为20kpbs(或20ksymbol/s)的信道。从能量功耗和成本、速率来看，不同的数据速率能为不同的应用提供较好的选择;

（4）近距离。一般两个ZigBee节点间的通信距离介于10~100m之间，在增加无线RF发射功率后，亦可增加到1 ~3km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力，建立起ZigBee设备的多跳通信链路，传输距离将可以更远;

（5）高可靠。采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突;节点模块之间具有自动动态组网的功能，信息在整个ZigBee网络中通过自动路由的方式进行传输，从而保证了信息传输的可靠性;

（6）短时延。通信时延和从休眠状态激活时延都非常短:搜索设备延时为30ms,休眠激活延时15ms，节点接入网络只需15ms，节省了电能。而蓝牙需3~10s, Wi-Fi需要3s，因此ZigBee技术适用于对实时定位要求较高应用;

免许可无线通信频段。ZigBee采用的物理、MAC层协议是IEEE 802.15.4,它工作在2.4GHz或868/915MHz的工业科学医疗(ISM)频段，对全球2.4GHz频段均免许可使用，868MHz在欧洲，915MHz在北美免许可使用;

（7）大容量网络。一个ZigBee网络最多包括255个节点，其中一个是主控设备，其余