基于物联网技术噪声及扬尘远程监测系统的传感器节点硬件设计开题报告

开题报告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述文献综述一、立题依据在建筑工地上，噪声和扬尘对人的健康危害巨大，因此需要严加监控。在建筑工地噪声的危害主要有以下三种1、职业性耳聋呈浙进性听力减退，直到两耳轰鸣和听觉失灵。2、爆炸性耳聋是指一次高强度的噪声，往往大于130160DB引起的听觉损伤，表现为鼓膜损伤，以及拌有脑震荡等。3、噪声对人及其他系统的影响，除上述影响外还可能引起植物神经紊乱，胃肠功能紊乱等。噪声可以引起听力减退，这种减退是渐进性的，人初期进入噪声环境中，常感到听力减退、烦恼、难受、耳鸣等，少数人可能有前庭症状，如眩晕、恶心或呕吐，这些症状在脱离噪声环境后即可缓解或消除，上述症状又复出现且随时间的延长症状加重，逐渐出现听觉疲劳，如两耳轰鸣、听觉失灵、发生听力丧失，成为噪声聋。噪声除影响听力减退外，还可能引起高血压、心脏病等，噪声还会分散人们的注意力，所以往往造成各种意外事故的根源。扬尘，即工地粉尘，在建筑工地上的PM25超过80都是扬尘，扬尘的危害实际上颗粒物对健康的影响，本质上讲是颗粒物表面吸附的各种化学物质对健康的影响，比如吸附了致癌物就有致癌效应，吸附了二恶英就有生殖危害，要是吸附了重金属就有重金属的危害，关键是要看吸附了什么东西。“扬尘，工地上的PM25对人体的伤害是一个长期过程，它的影响不是一两天或几个月就可以表现出来的。首都医科大学附属北京朝阳医院呼吸与危重症医学科王臻教授透露，PM25对呼吸系统的影响最直接。每到冬季灰霾天，医院呼吸科门诊的就诊量就会明显增加。相反，一场大雪过后，医院里不仅感冒患者减少，许多有呼吸系统疾病的患者病情也有不同程度的缓解。这是因为下雪会过滤可吸入颗粒，起到净化空气的作用，所以大家通常都会觉得雪后的空气尤其清新。另外，附着了重金属和多种致病菌的有害颗粒进入人体后，可以通过人体的循环系统渗入血液，对包括心脏、血管在内的器官造成损害。开题报告二、课题研究的意义传统建筑工地扬尘及噪声监控系统主要采用有线通信技术串行总线技术、现场总线技术等进行通信。这种系统虽然具有设备互操作性好、抗干扰能力强等优点，但存在稳定性差、可靠性低、部署困难、扩展不灵活、安装及运行维护成本高等不足，从而极大地限制了其在建筑工地检测的推广应用。基于物联网技术的建筑工地扬尘及噪声监控系统具有精度高、能耗小、经济性好、安装方便、扩展灵活、稳定性与可靠性强等优点，可以有效克服传统建筑工地扬尘及噪声监控系统的各种缺陷，实现扬尘及噪声内的实时、精确、远程和自动监控，满足建筑工地检测的不间断性的需求。三、国内外对扬尘及噪声监测的发展和趋势扬尘监测PM25中有大部分是扬尘，所以监测扬尘即监测PM25,2011年12月21日，中国环境保护部部长周生贤在“2012年全国环保工作会议”上表示，“必须抓紧修改完善，增加PM25检测指标，尽力争取早发布。2012年在京津冀、长三角、珠三角等重点区域及直辖市和省会城市开展PM25检测充分说明国家对于PM25超标的重视，周生贤还强调，必须建立区域大气环境质量预报系统等方式控制PM25。国家对于PM25的重视使得减轻PM25的外患成为可能。2012年10月11日，国家环境保护部副部长吴晓青表示，新的环境空气质量标准颁布后，环保部明确提出了新标准实施的“三步走”目标。截至目前，全国已有195个站点完成PM25仪器安装调试并试运行，有138个站点开始正式PM25监测发布数据。迄今为止，PM25的污染情况不容乐观，所以了解其污染现状、污染变化规律、污染类型，判明主要污染源并制定切实可行的防治措施，改善人气环境质量，改善居住环境，降低相关疾病的发病率，减轻社会和家庭的医药费用负担，提高生活质量都具有理论指导意义。目前而言，自动化PM25监测技术主要包括射线法、微量振荡天平法和重量法。开题报告最主要用的是射线法监测原理射线法是利用射线发生源产生射线透过采集有灰尘的滤膜，以PM25颗粒物对射线的吸收程度来测定颗粒物的浓度。这种测定方法假定仪器校准使用的标准膜片的材质与所采集颗粒物的成分相同，测量时根据吸光程度换算出最终数据。但是由于在实际测量过程中，由于标准膜片与实际情况往往并不相同，其测量的准确性不仅与采样流量有关，还受颗粒物成分的影响。具体做法是将PM25收集到滤纸上，然后照射一束射线，射线穿过滤纸和颗粒物时由于被散射而衰减，衰减的程度与PM25的重量成正比，根据射线的衰减就可以计算出PM25的重量，这种方法可实现自动连续监测。射线法PM25颗粒物监测仪由PM10采样头、PM25切割器、样品动态加热系统、采样泵和仪器主机组成。一般还用的是微量振荡天平法监测原理微量振荡天平法将采集有灰尘的滤膜用于振荡，由于振荡原件振荡的频率是由振荡的物理的特性、参加振荡的滤膜质量和沉积在滤膜上的颗粒物质量决定，因此通过测定系统振荡频率的变化可测得对应的颗粒物浓度。由于微量振荡天平法使用了采样管加热技术将水气化，而在实际测量过程中，部分挥发性颗粒物也会随之被气化，从而造成其测定值偏低，因此在微量振荡天平法中增加了一个用于增加收集挥发性颗粒物的纠正配件FDMS，从而一定程度保证了测量的精确性。监测方法微量振荡天平法PM25颗粒物监测仪由PM10采样头、PM25切割器、滤膜动态测量系统、采样泵和仪器主机组成。流量为每小时1M3的环境空气样品经过PM10采样头和PM25切割器后成为符合技术要求的PM25颗粒物样品气体。样品随后进入配置有滤膜动态测量系统的微量振荡天平监测仪主机。在主机中测量样品质量的微量振荡天平传感器主要部件是一支一端固定另一端装有滤膜的空心锥形管，样品气流通过滤膜，颗粒物被收集在滤膜上。除此之外还有重量法重量法是指将PM25直接截留在滤膜上，然后用天平称重。滤膜并不能把所有的PM25都收集，一些极细小颗粒还能穿过滤膜。但只要滤膜对于025M以上的颗粒截留效率大于99，就算合格。所损失的极细小颗粒物对的重量贡献小，对结果影响不大。开题报告滤膜称重法测定的是颗粒物的绝对质量浓度，它的原理简单、测定数据可靠、测量不受颗粒物的形状、大小和颜色等的影响，但是在测定的过程中，操作繁琐、费时、采样仪笨重、噪声大，且不能立即给出测试结果。重量法是最直接最可靠的方法，是验证其他方法是否准确的标杆。然而重量法需要人工称重，程序比较繁琐而费时。因此，这种方法及仪器多应用于进行单点、某时间段内的采样与监测，为大气污染调查研究提供数据。噪声监测“九五”期间，我国的环境保护事业有较大的发展，环境保护的总目标也已确定力争控制住环境污染恶化的头，部分城市的环境质量要有所改善。要实现这一目标，要保证全国城市环境污染噪声污染逐步有所缓解，国控城市声环境质量有所改善，环境噪声监测工作必须跟环境噪声管理的需要，调整或重新确定环境噪声监测技术路线是十分必要的。国外环境噪声监测工作是伴随着环境质量恶化的过程而开展的，一般而言，西方发达国家的典型噪声调查约早于我国20年左右，而大规模的噪声监测工作约早于我国10年。20世纪60年代以后，西方国家环境污染日趋严重。世界上相当多的国家相继开展了城市噪声普查，并作为例行的环境监溟0项目来进行。20世纪70年代以后，国外大多将精力集中到噪声的预测预报方面，常规监测主要由自动监测系统完成。国外环境噪声监测布点方法为测量位置的合理选择是保证监测结果科学性和代表性的先决条件。自20世纪60年代普遍开展环境噪声监测以杰，大多采用等间隔布点方法，即在道路两侧按一定距离布点，或在城市范围内按一定面积布点，这个方法，至今仍然是多数国家规定的标准测量方法，我国亦采用这种方法。在道路交通噪声的监测布点中先后采用了两种布点方法，一是等距离布点方法，另一种方法是按道路的自然路段布点，要每一自然路段中选择一个测点。这种布点方法能较客观的反映一条道路或整个道路系统的噪声水平目前，绝大多数国家均采用按自然路段布点法。国外环境噪声监测仪器的研究、开发和应用为国外的环境噪声监测仪器目前已经能够做到自动测量，自动数据处理，信息自动传输，信息网络互联，监测信息共享F扫于计算机的应用，噪声监测信息的处理，加工和评价，均已达到较高的水平。开题报告在20世纪60年代以前，世界各国测量环境噪声仍使用电子管的实验室仪器；20世纪70年代以后，小型化的噪声测量仪器得到开发，经过多年的开发和改型，从指针式人工读数声级计发展到数字式声级计，功能上也从单纯的测量瞬时声级发展到测量等效连续声级LEP，脉冲声级U，累积百分声级LN，噪声暴露级LEP等多个参量。此外。在户外环境噪声测量方面，还开发了多种供现场频率分析，时间特性分析，现场实时分析，现场磁记录等仪器。我国开展环境噪声监测的历史早在20世纪60年代，在著名声学专家马大猷先生的主持下，中国科学院声学研究所举办了第一期全国噪声训练班、1979年，原国务院环境保护领导小组办公室在湖南衡阳举办了环境保护系统第一次噪声监测与控制培训班，为环境保护系统培养了首批噪声监测人员。1982年我国制定了城市区域环境噪声标准GB309682和城市环境噪声测量方法GB322282。中国环境监测总站组织有关部门制定了我规范噪声部分我国环境噪声监测布点方法和采样技术我国环境噪声监测布点根据不同的测量内容选用不同的布点方法。监测道路交通噪声时，按自然路段布点；对区域环境噪声，在测量区域内按等面积网格法均匀布点；功能区噪声定期监测，在每一功能区内，选择功能特征明显，代表性强的位置布设个测点，进行昼夜24小时连续监测。我国的环境噪声采样技校术主要取决于所用噪声监测仪器的性能，在早期，主要使用指针式声级计监测，随着噪声测量仪器性能的不断完善，多种具有数据存贮和数理统计的声级计逐步应用于环境噪声监测领域。我国环境噪声监测仪器的研究，开发和应用早在20世纪60年代，我国就开始生产指针式人工读数声级计，体积大，精度低，动态范围小，测量误差大。20世纪80年代中期，研究开发有数据自动采集，存贮，处理功能的环境噪声自动监测仪。到20世纪90年代初，环境噪声监测仪器进一步追求小型化、便携，多功能。我国环境噪声评价方法我国噪声评价量与国际标准和大多数国家标准一样，采用计权等效连续噪声级LEP为基本评价量，按照能量叠加原理，将起伏不定的环境噪声进行时间序列的平均。同时模拟人耳的听觉特性加以频_率计权。在区域环境噪声评价中辅以累积百分声级LN。昼夜等效声级LD，在道路交通噪声评价中辅以交通噪声指开题报告数TNI等参量进行评价。航空噪声的评价采用国际上通用的计权等效连续感觉噪声级WECPNL进行评价。我国环境噪声监测体系我国建立了三级环境噪声监测网络体系，即国家级，省级和城市级。我国控环境噪声监测网络是1986年确定的，国控环境噪声网络站的选择是按照当年由国务院环境保护领导小组办公室国家环保局的前身所确定的钱国环境保护重点城市作为国家控制的环境噪声监测网络站，包括省会城市，沿海开放城市，风景旅游城市和历史文化名城。省级环境噪声监测网络一般由省辖市和县级市环境监测站组成，部分省份还包括县城和建制镇。城市环境监测站组织市辖区，县监测站和有关行业，监测站组成城市环境噪声监测网络，进行道路交通噪声，区域环境噪声，功能区域声的监测和噪声源监测。我国环境噪声监测技术存在的主要问题A、监测频次低，数据代表眭差；B、大多数监测站尚停留在简单的数据获取阶段，评价深度不够；C、监测仪器设备落后，劳动强度大；D、人员素质偏低，技术水平难以提高；E、对噪声监测的重要性认识不足，其他工作冲击过多；F、技术、信息交流不够。开题报告四、主要参考文献1蔡利婷ZIGBEE和GPRS的远程监控应用研究J广州工业大学学报，2012，52屈红艳我国的环境噪声监测技术现状及发展J中国新技术新产品，2010，8L1一33童玲基于CC2531CC2591的WSN节点通信模块设计JMICROCONTROLLERSEMBEDDEDSYSTEMS，2011，14饶达琴基于ZIGBEE与GPRS融合组网技术的远程监控系统J杭州电子科技大学学报，2012，125罗建，程越巍等基于ZIGBEE网络的分布式无线温粉尘测量系统J电子测量技术，2011，32（12）6梁娟基于SIM300模块的通用GPRS数传单元设计J，单片机与嵌入式系统应用，2010，20L39一427张全柱粉尘浓度传感器在煤矿井下的应用J山东农业大学学报，2011，68章伟聪基于CC2530及ZIGBEE协议栈设计无线网络传感器节点J浙江大学学报，2012，69韩亚东基于GPRS技术的无线远程监测系统的研究与设计J兰州交通大学学报，2013，1110吴振华声强技术及其在后桥噪声检测中的应用J深圳大学学报，2003，111时晓艳基于ZIGBEE和GPRS技术的列车远程监测系统设计J西安电子科技大学学报，2010，612张延松煤矿粉尘传感器及测量仪器的研究J杭州电子科技大学学报，2012，1213冼土明ZIGBEE与GPRS融合组网技术的研究与应用J广州工业大学学报，2011，1214（美）HALITEREN无线传感器及元器件网络、设计与应用M北京机械工业出版社，2013，115丁镇生传感及遥控遥测技术应用M北京国防工业出版社，2010，116程德福等智能仪器M北京机械工业出版社，201117韩斌杰GPRS原理及其网络优化M北京机械工业出版社，201118沙超无线传感器网络硬件平台的研究与设计M北京电子科技出版社，2012开题报告2本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）一、要研究或解决的问题和研究途径1、电源管理是无线通讯应用中的一个关键问题，电源处理得好坏直接影响到整个系统的工作和使用。要解决这个问题，硬件上就应该从工作芯片的低功耗的选型和电池体积和容量两方面综合来考虑。此模块需要IN5815起稳定电流作用，XB5351起到太阳能过充保护作用，7805为5V稳压器，AMS1117为33V稳压器，配上一些外围电路为CC2530模块、GPRS模块、传感器模块等供电。2、传感器的选择应遵循以下四个技术要求（1）具有将被测量转换为后续电路可用电量的功能，转换范围与被测量实际变化范围（变化幅度范围、变化频率范围）相一致。（2）转换精度符合整个测试系统根据总精度要求而分配给传感器的精度指标（一般应优于系统精度的10倍左右），转换速度应符合整机要求。（3）能满足被测介质和使用环境的特殊要求，如耐高温、耐高压、防腐、抗振、防爆、抗电磁干扰、体积小、质量轻和不耗电或耗电少等。（4）能满足用户对可靠性和可维护性的要求。表1传感器及有关参数传感器分贝传感器扬尘传感器型号GROVELOUDNESSSENSORGP2Y1050AU0F测量范围4866DB060MG/M3精度60A/DB01MG/M3供电电压DC35V10VDC48V52V输出信号模拟信号01023MV模拟信号MV（无尘时）3、本课题在利用现有CC2530模块作为数据传输应用的条件下，主要对目前的GPRS技术进行分析研究，设计出ZIGBEE一GPRS网关，将两种技术进行融合组网，使得新的网络方案既可以节省功耗，又可以广泛实现可靠的远程无线数据的监测。开题报告（1）系统总体设计如上图所示，本无线测控网络实时的响应监控中心的控制命令，按照监控中心发来的命令进行特定的数据采集任务，也可以采用按事先设定好的时间间隔，经ZIGBEE网络周期性地采集环境数据，由GPRS模块实时地传送到监控中心。该无线传感网络系统可用于建筑工地扬尘和噪声的监控，将ZIGBEE节点放置监控区域内，各节点能够自主形成监控网络，每个传感器终端节点搜集周围环境的扬尘浓度，噪声分贝等信息，这些终端节点将采集到的环境信息传送给ZIGBEE网络中的协调器，协调器对环境信息进行处理后再通过无线传感网络传至ZIGBEE一GPRS网关节点，由网关节点通过GPRS网络或者直接由收发装置将环境信息发送到监控管理中心，监控人员根据检测信息及时进行决策和处理。开题报告图1无线传感网络系统图2ZIGBEE技术由IEEE802154无线工作小组制定的ZIGBEE技术标准是一种介于蓝牙技术与无线标记技术间的方案,是一种新兴起的低速率、短距离的用于近距离无线连接的网络通信技术。其核心部件CC2530具有21个I/O口，它们分别于传感器接口、SPI存储器及在线仿真器连接。系统时钟由32MHZ晶振提供；系统休眠所用时钟由32KHZ无源晶振提供；复位按键与RESET连接，可实现硬件复位，初始化系统。传感器与CC2530接口采用插针的方式连接。为实现对I/O接口的高效利用，设计中有部分I/O进行了复用，复用后最多可以有6路A/D以及9路GPIO供采集多路模拟溶解氧传感器模拟信号和数字传感器信号使用，可以根据实际需要挂接不同类型的传感器，极大提高了该硬件平台的可扩展性和灵活性。处理模块接收数据时，先将传感器采集的数据存放在收发电路的先进先出缓存中，数据接收完后以DMA方式将收发缓存中的数据输入到CC2530指定的存储区。发送数据时以DMA方式将需要发送的数据送到RF的FIFO，再通过CC2530无线模块发送。CC2530接口如图2所示图2CC2530接口开题报告（3）GPRSDTU模块WG8010GPRSDTU内部自带的GPRS模块，只需完成一次初始化配置后，它可以通过GPRS和INTERN