公共自行车携带的移动式空气质量的监测节点与监测网络
摘 要 城市现代化的发展给人们带来了舒适和方便的生活，但同时也引来了一系列的环境问题，环境问题一直是近几年人类关注的重点。本文设计了一种基于自行车租赁网络的空气质量采集系统，利用自行车租赁网络结合物联网技术，实现了对城市空气质量的实时监测。本文从四个方面对整个系统做出了详细的介绍和分析。根据系统目标，分析当前国内外空气质量监测方法的优缺点，以及当前自行车租赁网络的实施状况，提出了基于自行车租赁网络的空气质量监测系统解决方案。其次，根据系统解决方案，分别从自行车采集节点设计、自行车节点组网、服务器网页设计三方面进行系统的设计。设计完成的系统通过测试，测试结果和标准空气质量采集设备对比，与标准采集设备的采集数据基本一致。本文设计的公共自行车携带的移动式空气质量的监测节点与监测网络系统，能够在精细的空间尺度上检测到实际的空气质量状况，为城市空气质量监测提供了新的监测方式，是先有空气质量监测系统的有益补充。而且，这种基于公共自行车的空气质量监测系统可以给人们出行提供参考，鼓励市民采用自行车这种绿色出行的方式，践行低碳生活。摘 要 0
Keywords: bicycle rental, air quality monitor, internet of things, green travel, low carbon living. 目 录
ABSTRACT 0
第1章 绪论 2
1.1 城市空气质量现状 2
1.2 国内外自行车租赁实施状况 3
1.3 传统空气质量采集方法 3
1.4 国外移动空气质量监测方法 4
1.5 论文章节安排 5
第2章 系统总体设计方案 6
2.1数据无线传输方式 6
2.2 自行车检测节点组网设计 8
2.3 系统服务器的建立及数据的发布与显示 9
2.4 本章小结 12
第3章 空气质量监测节点设计 13
3.1节点软件框架 13
3.2 MSP430系列超低功耗16位单片机 16
3.3空气质量传感器 18
3.4 GPS定位 23
3.5 数据存储 29
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
3.6 蓝牙及GPRS数据无线传输 32
3.7 采集节点与站点数据交换 36
第4章 实验测试 38
4.1传感器实验测试 38
4.2系统测试 39
第5章 成果与展望 40
5.1本科期间完成的成果 40
5.2提高和展望 40
致 谢 42
参考文献 43
第1章 绪论
1.1 城市空气质量现状
科技的发展带来了社会的进步，方便了我们的生活，使生活质量进一步提高，但生活质量得到提高的同时也带来了一系列的问题。人口大量增长，生活垃圾增多，环境污染严重，人们赖以生存的环境一步步因为这些因素受到了威胁。环境问题已成为21世纪全球人们共同关注的问题，众多环境污染问题中空气质量下降是近年来不断讨论的话题。
呼吸是人类生存最基本的生存条件，然而近年来的空气的质量也在一步一步下降，甚至已经严重影响到人们的正常生活。可吸入颗粒、二氧化硫、二氧化氮等有害气体的大量排放是导致空气污染主要原因，然而这些气体的大量排放主要由于工业发展的废气排放以及城市机动车辆的尾气排放。近年来越来越多的私家车成为城市交通的主要组成部分，其排放出来的尾气中包含大量的一氧化碳及氮氧化合物等有害气体。研究表明汽车尾气中的有害气体的排放会直接影响人类的上呼吸道感染，从而进一步导致呼吸道疾病，肺癌。国家环保局用API（空气质量指数）来衡量空气质量好坏，其数值大小主要根据二氧化硫、二氧化氮、PM10、PM2.5、臭氧、一氧化氮六项空气污染物浓度计算出来。API数值越大空气污染级别越高，城市空气污染越严重。[1]
国家环保部近年来做出了一系列的措施来减少空气污染继续恶化。从2011年1月1日开始环保部发布《环境空气PM10和PM2.5的测定重量法》，由于第一次出现PM2.5名词，当时PM2.5不强制要求监测。2012年05月24日环保部正式公布《空气质量新标准第一阶段监测实施方案》，开始要求全国74个城市进行PM2.5测量。[2]每年环保部公布指定城市的空气质量状况，其中检测结果不断提醒人们空气质量状况在一步步恶化。中国政府在空气质量问题上也正在寻找并采取有效措施进行改善。面对环境的迅速恶化，我们有必要为我们共同呼吸的空气做出一份努力，为此本文欲开发一套新的方法用于城市空气质量监测。
1.2 国内外自行车租赁实施状况
自行车租赁系统很早就已经出现，最早推出“城市自行车”的短暂租赁计划的是哥本哈根。提出为城市配备足够的“空闲”自行车，满足人们短距离出行要求的同时能够帮助市区减少汽车交通造成的污染，同时也是最好的一种经济实惠的出行方式。[3]目前，全球各地有近300个自行车共享计划，并且各世界都在努力扩大系统分布。[4]
全球开展自行车租赁的城市数不胜数，其中最具代表性的有美国首都华盛顿。华盛顿投资规模最大的Bike share方案收费细则每天5美元，5天15美元，每月25美元或每年75美元，通过这种方式鼓励人们绿色出行。蒙特利尔建立了加拿大最长的自行车道，2009年5月推出自行车共享计划以来，政府大规模投入，城市条件的优越让大量的人们迅速加入到自行车骑行队伍中来，也让蒙特利尔获得了举世瞩目和长足的发展。具有代表性的还有法国巴黎、伊斯坦布尔、墨尔本、美国马塞诸塞州的波士顿等城市。[4]
中国的台湾地区选择绿色红色黄色三种颜色来吸引人们的眼球，这造就了自行车租赁成为街头一道亮丽的风景，每个来台湾旅游的游客对于台湾的自行车租赁都赞不绝口，截止目前台湾已经拥有了20000名常用客户。内陆地区最早实施租赁自行车的城市是杭州，其公共自行车交通系统按公共服务定位进行规划，成为中国公共自行车租赁系统运行的先例。[4,5]近几年全国各地区也相继开展开来，常州永安自行车租赁有限公司成立两年，全国各地都已经分布。
因此利用日益发展的自行车租赁平台来开发空气质量检测是一种不能再合适的便捷方法。
1.3 传统空气质量采集方法
相比传统的空气质量采集方式，传统采集多使用建立采集基站的方式，基站中设立不同的气体检测装置。例如一氧化碳的非分散红外吸收法，环境空气总悬浮颗粒物的测定重量法，空气质量氮氧化物的测定?盐酸萘乙二胺比色法等。采集方式的方法设备要求极高，特别光谱分析方法设备十分昂贵。同时设备的体积也十分庞大，环境要求也很高。但采集精度十分高。[6]
本文设计的空气质量方法不同于传统采集方法。利用的是小型化的电子传感器，将采集设备搭载到自行车上。骑行的人们外出的同时，采集设备自动采集沿途空气质量，待借车人还车时，空气质量状况自动上传到服务器。相比传统采集方法，选用廉价的气体传感器，成本低，精度上基本可以达到要求。同时不需要额外的人力成本专门负责设备操作。采集点密集，自行车能够到达的区域都能够进行空气质量采集，十分接近人的气体呼吸水平。
图11，图12分别为传统型采集方式和本文系统采集设备。
Keywords: bicycle rental, air quality monitor, internet of things, green travel, low carbon living. 目 录
ABSTRACT 0
第1章 绪论 2
1.1 城市空气质量现状 2
1.2 国内外自行车租赁实施状况 3
1.3 传统空气质量采集方法 3
1.4 国外移动空气质量监测方法 4
1.5 论文章节安排 5
第2章 系统总体设计方案 6
2.1数据无线传输方式 6
2.2 自行车检测节点组网设计 8
2.3 系统服务器的建立及数据的发布与显示 9
2.4 本章小结 12
第3章 空气质量监测节点设计 13
3.1节点软件框架 13
3.2 MSP430系列超低功耗16位单片机 16
3.3空气质量传感器 18
3.4 GPS定位 23
3.5 数据存储 29
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
3.6 蓝牙及GPRS数据无线传输 32
3.7 采集节点与站点数据交换 36
第4章 实验测试 38
4.1传感器实验测试 38
4.2系统测试 39
第5章 成果与展望 40
5.1本科期间完成的成果 40
5.2提高和展望 40
致 谢 42
参考文献 43
第1章 绪论
1.1 城市空气质量现状
科技的发展带来了社会的进步，方便了我们的生活，使生活质量进一步提高，但生活质量得到提高的同时也带来了一系列的问题。人口大量增长，生活垃圾增多，环境污染严重，人们赖以生存的环境一步步因为这些因素受到了威胁。环境问题已成为21世纪全球人们共同关注的问题，众多环境污染问题中空气质量下降是近年来不断讨论的话题。
呼吸是人类生存最基本的生存条件，然而近年来的空气的质量也在一步一步下降，甚至已经严重影响到人们的正常生活。可吸入颗粒、二氧化硫、二氧化氮等有害气体的大量排放是导致空气污染主要原因，然而这些气体的大量排放主要由于工业发展的废气排放以及城市机动车辆的尾气排放。近年来越来越多的私家车成为城市交通的主要组成部分，其排放出来的尾气中包含大量的一氧化碳及氮氧化合物等有害气体。研究表明汽车尾气中的有害气体的排放会直接影响人类的上呼吸道感染，从而进一步导致呼吸道疾病，肺癌。国家环保局用API（空气质量指数）来衡量空气质量好坏，其数值大小主要根据二氧化硫、二氧化氮、PM10、PM2.5、臭氧、一氧化氮六项空气污染物浓度计算出来。API数值越大空气污染级别越高，城市空气污染越严重。[1]
国家环保部近年来做出了一系列的措施来减少空气污染继续恶化。从2011年1月1日开始环保部发布《环境空气PM10和PM2.5的测定重量法》，由于第一次出现PM2.5名词，当时PM2.5不强制要求监测。2012年05月24日环保部正式公布《空气质量新标准第一阶段监测实施方案》，开始要求全国74个城市进行PM2.5测量。[2]每年环保部公布指定城市的空气质量状况，其中检测结果不断提醒人们空气质量状况在一步步恶化。中国政府在空气质量问题上也正在寻找并采取有效措施进行改善。面对环境的迅速恶化，我们有必要为我们共同呼吸的空气做出一份努力，为此本文欲开发一套新的方法用于城市空气质量监测。
1.2 国内外自行车租赁实施状况
自行车租赁系统很早就已经出现，最早推出“城市自行车”的短暂租赁计划的是哥本哈根。提出为城市配备足够的“空闲”自行车，满足人们短距离出行要求的同时能够帮助市区减少汽车交通造成的污染，同时也是最好的一种经济实惠的出行方式。[3]目前，全球各地有近300个自行车共享计划，并且各世界都在努力扩大系统分布。[4]
全球开展自行车租赁的城市数不胜数，其中最具代表性的有美国首都华盛顿。华盛顿投资规模最大的Bike share方案收费细则每天5美元，5天15美元，每月25美元或每年75美元，通过这种方式鼓励人们绿色出行。蒙特利尔建立了加拿大最长的自行车道，2009年5月推出自行车共享计划以来，政府大规模投入，城市条件的优越让大量的人们迅速加入到自行车骑行队伍中来，也让蒙特利尔获得了举世瞩目和长足的发展。具有代表性的还有法国巴黎、伊斯坦布尔、墨尔本、美国马塞诸塞州的波士顿等城市。[4]
中国的台湾地区选择绿色红色黄色三种颜色来吸引人们的眼球，这造就了自行车租赁成为街头一道亮丽的风景，每个来台湾旅游的游客对于台湾的自行车租赁都赞不绝口，截止目前台湾已经拥有了20000名常用客户。内陆地区最早实施租赁自行车的城市是杭州，其公共自行车交通系统按公共服务定位进行规划，成为中国公共自行车租赁系统运行的先例。[4,5]近几年全国各地区也相继开展开来，常州永安自行车租赁有限公司成立两年，全国各地都已经分布。
因此利用日益发展的自行车租赁平台来开发空气质量检测是一种不能再合适的便捷方法。
1.3 传统空气质量采集方法
相比传统的空气质量采集方式，传统采集多使用建立采集基站的方式，基站中设立不同的气体检测装置。例如一氧化碳的非分散红外吸收法，环境空气总悬浮颗粒物的测定重量法，空气质量氮氧化物的测定?盐酸萘乙二胺比色法等。采集方式的方法设备要求极高，特别光谱分析方法设备十分昂贵。同时设备的体积也十分庞大，环境要求也很高。但采集精度十分高。[6]
本文设计的空气质量方法不同于传统采集方法。利用的是小型化的电子传感器，将采集设备搭载到自行车上。骑行的人们外出的同时，采集设备自动采集沿途空气质量，待借车人还车时，空气质量状况自动上传到服务器。相比传统采集方法，选用廉价的气体传感器，成本低，精度上基本可以达到要求。同时不需要额外的人力成本专门负责设备操作。采集点密集，自行车能够到达的区域都能够进行空气质量采集，十分接近人的气体呼吸水平。
图11，图12分别为传统型采集方式和本文系统采集设备。
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