基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的火電廠灰霾監(jiān)測系統(tǒng)的研究摘要：本論文針對火電廠的灰霾污染問題，設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的灰霾監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實時監(jiān)測火電廠的排放情況，精確測量大氣中的PM2.5、PM10等顆粒物濃度，并通過云端數(shù)據(jù)分析和處理，提供可視化的監(jiān)測結(jié)果和預(yù)警信息。本文主要從系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計兩個方面進行了詳細闡述，并對系統(tǒng)進行了實驗驗證和性能分析，結(jié)果表明該系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，可以有效提高火電廠的環(huán)保監(jiān)測能力，降低灰霾污染對環(huán)境和人民健康的威脅。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；灰霾監(jiān)測；火電廠；PM2.5；PM10

Ⅰ.引言

隨著我國工業(yè)化進程的加快和人口增長的不斷加快，火電廠排放的二氧化硫、氮氧化物和顆粒物等污染物已成為嚴重的環(huán)境問題。尤其是細顆粒物的排放，不僅可以造成重大的環(huán)境損害，還對人體健康產(chǎn)生潛在的危害，如誘發(fā)哮喘、肺部疾病和心血管疾病等。因此，對火電廠的灰霾污染進行有效的監(jiān)測和控制，已成為當前環(huán)保工作的重要任務(wù)之一。

傳統(tǒng)的灰霾監(jiān)測方法主要采用人工抽樣和化學(xué)分析的方式，不僅耗時、費力，而且存在抽樣點數(shù)量不足、監(jiān)測數(shù)據(jù)不連續(xù)等問題。因此，為了實現(xiàn)火電廠灰霾污染的實時監(jiān)測和預(yù)警，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的灰霾監(jiān)測系統(tǒng)。

Ⅱ.系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

本文的灰霾監(jiān)測系統(tǒng)主要由傳感器節(jié)點、數(shù)據(jù)采集節(jié)點、數(shù)據(jù)處理節(jié)點和云端服務(wù)器節(jié)點四部分組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

傳感器節(jié)點采用多種傳感器模塊對大氣中的溫濕度、壓力、PM2.5、PM10等指標進行監(jiān)測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過WirelessHART無線協(xié)議發(fā)送給數(shù)據(jù)采集節(jié)點。數(shù)據(jù)采集節(jié)點通過網(wǎng)關(guān)將傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)匯總到云端服務(wù)器節(jié)點，并提供數(shù)據(jù)存儲和安全訪問保障。

Ⅲ.系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.傳感器節(jié)點設(shè)計

傳感器節(jié)點是系統(tǒng)的核心組成部分，其主要功能是通過傳感器節(jié)點實現(xiàn)灰霾污染物濃度的實時監(jiān)測。本文采用CC2530芯片作為傳感器節(jié)點的核心處理器，使用DHT11傳感器模塊對大氣溫濕度進行監(jiān)測，使用GP2Y1010AU0F傳感器模塊對大氣中的PM2.5、PM10等顆粒物進行監(jiān)測。傳感器節(jié)點電路設(shè)計如圖2所示。

2.數(shù)據(jù)采集節(jié)點設(shè)計

數(shù)據(jù)采集節(jié)點的主要任務(wù)是負責(zé)接收和存儲傳感器節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫朔?wù)器節(jié)點。本文采用RaspberryPi2單板電腦作為數(shù)據(jù)采集節(jié)點的主控制器，使用WirelessHART網(wǎng)關(guān)模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。數(shù)據(jù)采集節(jié)點電路設(shè)計如圖3所示。

3.云端服務(wù)器節(jié)點設(shè)計

云端服務(wù)器節(jié)點的主要任務(wù)是接收和存儲來自數(shù)據(jù)采集節(jié)點的數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)處理和分析，為系統(tǒng)的監(jiān)測和管理提供支持。本文采用MicrosoftAzure云平臺作為云端服務(wù)器，使用SQLDatabase數(shù)據(jù)庫模塊進行數(shù)據(jù)存儲和管理。云端服務(wù)器節(jié)點架構(gòu)如圖4所示。

Ⅳ.系統(tǒng)軟件設(shè)計

1.傳感器節(jié)點程序設(shè)計

傳感器節(jié)點主程序主要功能是對各種傳感器數(shù)據(jù)進行采集和處理，并通過WirelessHART無線協(xié)議發(fā)送給數(shù)據(jù)采集節(jié)點。程序采用CCS編譯器進行編譯，代碼如下所示：

//PM2.5采集函數(shù)

intread_PM2_5_value(void)

{

intPM2_5=0;

uint8_ti;

for(i=0;i<10;i++)

{

PM2_5=PM2_5+analogRead(2);//采集模擬量輸入

delay(100);

}

PM2_5=PM2_5/10;//平均值計算

returnPM2_5;

}

2.數(shù)據(jù)采集節(jié)點程序設(shè)計

數(shù)據(jù)采集節(jié)點程序主要功能是接收來自傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳到云端服務(wù)器節(jié)點。程序采用Python語言編寫，其中數(shù)據(jù)上傳功能主要使用mqtt協(xié)議實現(xiàn)。程序代碼如下所示：

#數(shù)據(jù)上傳函數(shù)

defon_publish(client,userdata,mid):

print("mid:"+str(mid))

client.on_publish=on_publish

client.connect("",1883,60)

(client.loop_start())

whileTrue:

PM2_5=read_PM2_5_value()

#數(shù)據(jù)格式化

message="{\"PM2.5\":"+str(PM2_5)+"}"

#數(shù)據(jù)上傳

client.publish("/PM2.5-data",payload=message,qos=0)

time.sleep(1)

3.云端服務(wù)器程序設(shè)計

云端服務(wù)器程序主要功能是接收來自數(shù)據(jù)采集節(jié)點的數(shù)據(jù)，并進行處理和存儲。本文采用MicrosoftAzure的云服務(wù)平臺作為云端服務(wù)器，使用SQLDatabase數(shù)據(jù)庫模塊進行數(shù)據(jù)存儲和管理，程序代碼如下所示：

importpyodbc

cnxn=pyodbc.connect('DRIVER={ODBCDriver13forSQLServer};SERVER=xxxxxxxxx;DATABASE=xxxxxx;UID=xxxxxxxx;PWD=xxxxxxxx')

cursor=cnxn.cursor()

defon_message(client,userdata,msg):

print(msg.topic+""+str(msg.payload))

#數(shù)據(jù)解析

PM2_5=str(msg.payload)[11:]+str(msg.payload)[-2:]

#數(shù)據(jù)存儲

cursor.execute("INSERTINTOPM2.5_DATA(PM2.5)VALUES(?)",PM2_5)

mit()

Ⅴ.實驗驗證與性能分析

本文使用實際火電廠的灰霾監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了系統(tǒng)實驗驗證和性能分析。實驗結(jié)果表明，本文所設(shè)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在不同工況下均具有良好的監(jiān)測能力和數(shù)據(jù)精度。同時，系統(tǒng)還表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性和可靠性，能夠滿足火電廠環(huán)保監(jiān)測的實時性、準確性和全面性要求。

Ⅵ.結(jié)論

本文針對火電廠灰霾污染問題，設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的灰霾監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實時監(jiān)測火電廠的排放情況，精確測量大氣中的PM2.5、PM10等顆粒物濃度，并通過云端數(shù)據(jù)分析和處理，提供可視化的監(jiān)測結(jié)果和預(yù)警信息。實驗結(jié)果表明，本文所設(shè)計的系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，可以有效提高火電廠的環(huán)保監(jiān)測能力，降低灰霾污染對環(huán)境和人民健康的威脅本文所設(shè)計的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的火電廠灰霾監(jiān)測系統(tǒng)有以下幾個優(yōu)點：

1.實時監(jiān)測能力：該系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測大氣中的PM2.5、PM10等顆粒物濃度，及時掌握火電廠的排放情況。

2.數(shù)據(jù)精度：系統(tǒng)使用的傳感器具有高精度和高靈敏度，能夠精確測量顆粒物的濃度，提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性。

3.可視化監(jiān)測結(jié)果：系統(tǒng)通過云端數(shù)據(jù)處理和分析，提供可視化的監(jiān)測結(jié)果和預(yù)警信息，使用戶能夠直觀地了解監(jiān)測情況，并及時采取措施。

4.穩(wěn)定性和可靠性：系統(tǒng)的設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)都具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，能夠在復(fù)雜環(huán)境下進行長期監(jiān)測。

本文的實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較高的監(jiān)測能力和數(shù)據(jù)精度，在不同工況下都能夠穩(wěn)定運行。同時，系統(tǒng)還具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，符合環(huán)保監(jiān)測的實時性、準確性和全面性要求。因此，該系統(tǒng)可以有效提高火電廠的環(huán)保監(jiān)測能力，降低灰霾污染對環(huán)境和人民健康的威脅5.方便性：該系統(tǒng)采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，避免了傳統(tǒng)的人工采集數(shù)據(jù)的方式，降低了監(jiān)測成本和工作量，提高了監(jiān)測效率和準確性。

6.可拓展性：該系統(tǒng)支持多傳感器組合，能夠監(jiān)測多種顆粒物，如CO、NO2等，可根據(jù)需要進行拓展和升級，擴展監(jiān)測范圍，提高監(jiān)測能力。

7.環(huán)保性：該系統(tǒng)采用無線傳輸方式，無需鋪設(shè)大量的電纜和配電盤，降低了資源和能源消耗，符合綠色環(huán)保理念。

8.便于維護：該系統(tǒng)的設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)采用模塊化設(shè)計，便于維護和更換，減少了維護成本和工作量，延長了設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。

綜上所述，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的火電廠灰霾監(jiān)測系統(tǒng)具有實時監(jiān)測能力、數(shù)據(jù)精度、可視化監(jiān)測結(jié)果、穩(wěn)定性和可靠性、方便性、可拓展性、環(huán)保性和便于維護等優(yōu)點，能夠有效提高火電廠的環(huán)保監(jiān)測能力，為減少灰霾污染、保護環(huán)境和人類健康作出貢獻9.數(shù)據(jù)可追溯性：該系統(tǒng)采用數(shù)字化技術(shù)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)自動記錄和上傳到云平臺，保證數(shù)據(jù)的完整性和準確性，同時可以追溯歷史數(shù)據(jù)，為分析和研究提供數(shù)據(jù)支持。

10.實時預(yù)警功能：該系統(tǒng)可以針對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析和處理，實現(xiàn)實時預(yù)警和報警，及時發(fā)現(xiàn)污染源和問題，加強污染治理和應(yīng)對能力。

11.數(shù)據(jù)共享功能：該系統(tǒng)可以將監(jiān)測數(shù)據(jù)共享給相關(guān)部門和公眾，提高信息透明度和公眾參與度，促進環(huán)保工作的開展和推廣。

總之，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的火電廠灰霾監(jiān)測系統(tǒng)是目前最先進的環(huán)保監(jiān)測系統(tǒng)之一，具有諸多優(yōu)點和功能，可以實