引言

我国环保部门对机动车尾气排放的检测工作十分重视，传统的尾气排放状况监测主要通过年检方式进行，这种监测方法的流程繁琐复杂，监测应用的设备价格高昂，而且监测是在固定的检测所内进行，不能监测出机动车运行情况下的尾气排放状况，监测的效果不是很理想，不能有效减缓机动车尾气的污染程度。因此，有关人员需要应用先进技术与设备，开发出能够实时监测机动车尾气排放状况的在线监测系统，提高监测的效率，减少尾气排放。

1 在线监测系统的原理和总体框架

无线传感器网络具有较强的可拓展性和分布性，容错性比较好，还具备成本低廉和功耗小等优点。根据无线传感网络设计的机动车尾气在线检测系统主要用固态TiO2氧敏材料传感器作为监测系统的监测传感器，以此构成可以在机动车行驶时测量机动车尾气的系统。

剥蚀孔径越大激光剥蚀过程所覆盖的样品面积越大，产生的气溶胶颗粒越多，信号强度越高；剥蚀孔径越小，产生的气溶胶颗粒与剥蚀后样品表面坑壁碰撞的概率越大，信号稳定性越差。分别以不同剥蚀孔径(10～200μm)进行测定，每个剥蚀孔径重复测定5次，考察了剥蚀孔径对样品中63Cu信号强度平均值及其相对标准偏差的影响，结果如图3和图4所示。由图3和图4可见，随着剥蚀孔径从10μm逐渐增加到200μm，63Cu的信号强度也逐渐增加，同时其相对标准偏差逐渐降低。故选定200μm为剥蚀孔径参数。

该系统主要是在机动车的尾气排放位置安装监测传感器，用于采集行驶过程中，机动车排放的尾气状况；在城市交通枢纽以及车流量较大的位置，安装基站接受监测传感器传输的监测信息；基站会将监测信息传输到数据处理中心，对机动车尾气排放的相关信息进行分析和存档，供环保部门或者交通部门使用，具体的在线监测系统原理如图1所示。

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2 在线监测系统的构成

为了解决上述冲突，通常采用跳频的方法解决，但是这种方法的成本比较高，不适用于在线监测系统中。技术人员可以选用ITU颁布的IEEE802.15.4标准中的MAC子层协议，该协议中包含基于竞争的信道接入机制，该机制主要是指CSMA/CA。当传感器节点在传输数据信息之前，MAC子层协议会应用空闲评估算法对基站的接收信道进行评估，了解该信道内是否存在其他传感器节点传输的数据信息，如果有其他传感器节点传输数据，该传感器节点则会等待一定时间再进行空闲评估；如果没有其他传感器节点传输数据，则该传感器节点会立即传输数据信息。

  

图1 在线监测系统原理图

（1）该系统的传感器节点主要包括传感器系统、能量供应系统、通信系统以及数据处理系统。要想准确监测区域内机动车尾气状况，需要将传感器节点安装到机动车的排气装置区域，具体做法如下：在机动车尾气排放区域设置一个小口径的采集管，使用微型风扇将机动车排放的尾气吸入到采集管中，经过过滤的尾气会接触到传感器系统中的TiO2氧敏材料传感器，从而获取尾气中一氧化碳、二氧化碳以及氮氧化物等信息，并将信息转变为电信号，传输到数据处理系统。数据处理系统内安装有微处理器芯片WO-LPP，用于操作传感器节点，并对传感器系统传输的信息进行初步处理与存储。通信系统主要通过nRF905芯片进行信息数据的编码，并通过无线通信方式和基站进行通信，传输尾气相关信息，通信系统的地址和机动车的车牌号互相绑定，保障尾气监测结果的准确率为百分之百。能量供应系统主要用来提供传感器节点正常运行所需的电力。

CSMA/CA主要用于数据传输信道的接入机制中，在算法中，包含3个重要的参数，分别是Nb、CW以及BE。其中，Nb为number of backoff，即后退次数，后退次数的初始值是0。等到后退时间结束之后，传感器节点需要传输数据的时候，就会向基站发送CCA检测，如果检测基站的接收信道忙，就会再一次出现后退时间，这是Nb值变为1.在IEEE802.15.4标准中，Nb值的允许最大值是4，也就是说，如果传感器节点通过了4次后退时间之后，基站的接收信道仍旧处于忙碌状态，就要放弃这次数据传输，避免造成严重的经济损失。CW为content window length，即碰撞窗口的长度，也就是指后退延迟时间的长度，CW的单位为backoff。在MAC PIB中，参数a Unit Backoff Period负责定义后退周期，这一周期是20symbol的时间，在CSMA/CA中，CW的初始值是2，最大值是31.BE为backoff exponent，即后退指数，取值范围在零到五之间，在IEEE802.15.4标准中，BE的推荐值为3，允许最大值为5，如果将BE设为0，则仅能进行一次碰撞检测。

在线监测系统需要实时监控城市所有路段的机动车尾气排放状况，实时采集机动车尾气的状态信息。如果机动车尾气出现超标现象，在线监测系统需要立即做出反应，找出超标的根源，并进行提醒服务。上述功能的实现需要依靠多种关键技术。

3 在线监测系统的关键技术

（3）在监测系统中，数据处理中心属于决策机构以及信息中心，是系统的最高层，主要负责分析与处理基站传输的尾气相关信息，并根据分析处理的结果做出相应的决策。在数据处理中心，具备数据库系统，能够根据传感器节点独有的地址码，组成城市各个区域的机动车尾气相关信息库。当基站传输的数据显示，机动车尾气污染物超标的时候，会对驾驶员进行警示，避免机动车尾气对空气造成严重的污染。与此同时，该信息库还能供环保部门和交通部门查询使用。

3.1 无线传感器网络技术

和其他无线网络有所不同，无线传感器网络中的传感器节点数量要更大，还具备一定的可扩展性，在进行监测监控时，无线传感器网络的测量范围更大。在机动车尾气的监测范围内，传感器节点能够自由移动，随意退出或者加入到网络。在监测系统中，传感器节点能够与基站组成主从式星型拓扑结构，在该结构中，只有1台主机，从机的数量要小于225台。传感器节点主要通过点与点之间的链路和基站进行连接，基站不仅是信息传递中心，还能够发挥连通作用，并对数据信息进行初步处理。但是，基站的数据处理能力和连通能力有限，当过多的传感器节点在同一时间传输数据帧的时候，基站接受的数据可能会出现帧重叠现象，从而形成冲突，影响机动车尾气信息数据的正常传输。

根据无线传感器网络设计的在线监测系统主要包括3层结构，分别是传感器节点、基站以及数据处理中心。

（2）基站主要用来接受所在区域范围内传感器节点传输的尾气相关信息，并将信息传输给数据处理中心。和传感器节点相比，基站的数据处理能力更强，还具备路由功能，能够实现所在区域范围内传感器节点传输的尾气相关信息的分类处理。通常来说，基站的所有数据都会根据DC路由协议通过多跳传递方式传输给数据处理中心。

3.2 固态电化学传感器技术

师：在老师没有出示结果之前，我们只能去猜测，硬币可能在老师的右手里，也可能在老师的左手里。现在看（伸开手）一定在老师的（ ）手里，它有可能在陈欣的手里吗？

该技术主要根据金属氧化物在气体中的不同“氧空位”以及产生的不同导电率反应，来监测尾气中各种气体的含量。该技术具有操作简单和性能优异等特点，能够在很大程度上减少监测成本，优化监测工艺，在机动车尾气监测方面受到了十分广泛的应用。基于该技术制造的传感器大都采用TiO2氧敏材料。

1.图画内容生动有趣，能充分引起学生共鸣。小学低年级学生在自控能力上的表现仍与高年级学生存在一定差距，因此，教师必须保证实际教学内容可以吸引学生的关注，辅助低年级学生将注意力集中到课堂上来。以《我爸爸》这本书为例，这一绘本封面主要描绘了一位穿着睡衣的爸爸在做着可笑的鬼脸，这样的形象能很好的让学生联系到自己的爸爸，进而对绘本中的内容产生兴趣。

TiO2氧敏材料主要是金红石晶体通过烧结工艺制作而成，TiO2氧敏材料的导电原理如下：氧空位会随着外界氧分压而变化，使得材料的电阻率出现变化，当温度比较高的时候，TiO2氧敏材料的氧空位会通过亚表面向更深的地方扩散，提升施主电子浓度，降低TiO2氧敏材料的电阻率，转变为导电率形态。因为金红石晶体具备较为稳定的物理性质和晶型结构，使得TiO2氧敏材料具有良好的气敏响应效果，应用TiO2氧敏材料制造的传感器主要用来采集机动车尾气中的一氧化碳、碳氢化合物以及氮氧化物，该传感器对于气体污染物的相应灵敏度高达0.001，分辨率高达0.0001，能够有效提升监测系统的监测准确率。

4 结论

综上所述，根据无线传感器网络开发的在线监测系统，能够实时有效地监测机动车尾气排放状况，可以进一步推广应用。通过对在线监测系统的分析可知，文中开发的在线监测系统能够实时采集机动车尾气的相关参数，并及时传输给数据处理中心，并将机动车尾气的相关信息进行分析与存储，能够及时发现尾气超标的机动车辆，有效促进环境保护工作的信息化发展。

（参考文献3篇，刊略，需者可刊索）