工業園區內空氣質量實時監測的技術研究

滑潔，姚二偉

（1.河北機電職業技術學院，河北邢臺，054000；2.河北內丘工業園區管委會，河北邢臺，054200）

1 工業園區大氣污染的特點

首先，具有長期性、復雜性特點。由于工業園區內大部分企業是連續作業的，在企業的生產城中所對環境中排放的廢氣具有長期而持續的特點。

其次，大氣污染是一個不斷積累的過程。由于工業園區內的大氣污染是在日積月累過程中所形成的，盡管環境具有一定的自凈能力，并且對企業所排放的污染物具有一定得消除能力。但是，邢臺的地理位置和氣象氣候對空氣擴散十分不理想，因此從長期來看，污染情況仍然十分嚴重。

還有，大氣污染具有擴散性特點。由于空氣具有流動性，這就導致企業所排放的氣體污染物質具有擴散性和廣布性，工業園區的大氣污染勢必會對周圍環境產生嚴重影響，給周邊生活的居民以及居民正常的生活帶來危害。

2 工業園區大氣污染的危害

眾所周知，大氣污染會對人類及其他生物造成巨大威脅，大氣污染物質通過呼吸作用進入到人類或生物的體內，危害生物的生命安全。具體來講，

第一，工業園區的大氣污染嚴重危害人類的身體健康。在河北省，很大一部分人群會出現呼吸道疾病，這主要是由于吸入了工業園區復雜成分的大氣污染物質，嚴重的時候還會引發人體功能器官病變。由此可見，工業園區的大氣污染嚴重威脅人類的生命安全。

第二，工業園區的大氣污染不利于植被的正常生長。二氧化硫是工業園區大氣污染物質中對植被生長破壞作用最強的氣體，只要是植物通過呼吸作用和光合作用吸入了二氧化硫，植被的正常生理機能就會受到影響，出現植被葉子變黃或者植物表面出現傷痕，等等。當二氧化硫濃度極高時，吸入氣體的植被甚至會直接死亡。

第三，工業園區的大氣污染嚴重影響環境。大氣污染物質的增多會形成霧霾天氣，空氣能見度變低，空氣更加渾濁，人、動植物都會整天在一種霧蒙蒙的狀態中，生活陽光無法直射地球表面。工業園區的大氣污染物質數量的增多，會引發近地面溫度升高，而周圍地區的溫度低，就會發生“熱島效應”。

3 影響邢臺市工業園區空氣質量的主要因素

工業布局不合理。一些工業原材料包括玻璃、水泥、鋼鐵、電力等，都會產生高污染。而一旦工業布局不合理，工業園區分布于城市周邊25公里內或者分布于市中心工業園區內，所排放的大量高污染物就會對城市的空氣質量造成嚴重影響。

煤炭消耗量過大。據不完全統計，河北省邢臺市工業園區的燃煤污染物已經遠遠超過了城市的最大環境容量，是造成空氣質量低下的最重要因素。

河北省邢臺市結合氣象因素不利。從地理位置上來看，河北省邢臺市處于凹槽地帶，與邯鄲和石家莊相比，海拔要低很多，這就導致邢臺市的風速低，地勢低，更容易形成逆溫層。大氣中的污染物更容易向低地勢的城市流動，邢臺市匯聚了大氣中的污染物，進而形成大氣污染和霧霾天氣。

4 河北省邢臺市工業園區內空氣質量實時監測系統

結合上述幾點，監測工業園區的大氣污染情況對當地環境、人文活動都具有指導意義，也為當地空氣質量預測和空氣治理帶來數據依據。但目前，工業園區還沒有一個能夠廣范圍覆蓋、成本低、傳輸快的空氣監測網絡，因此，建立一個無線傳感網絡比有線網絡更能夠即時、有效的反應當前園區內空氣質量，以便為當時的生產安排、組織活動做一個參考依據。

工作原理：利用傳感器對工業園區內主要空氣污染物包括：PM2.5、二氧化硫、硫化物、一氧化碳等進行采集、將采集結果即時上傳至終端。從而對當前園區內空氣質量進行24小時不間斷監測，利用aqi技術對超標污染氣體進行標定。整體系統框圖如圖1所示。

圖1 整體系統框圖

4.1 硬件設計

4.1.1 傳感器選擇

PM2.5粉塵傳感器采用的是YW-51GJ粉塵傳感器，該傳感器能完全替代夏普公司的GP2Y1051AU粉塵傳感器，而價格更為低廉，該傳感器可以采用簡單的算法直接將輸出結果換算為當前顆粒濃度。

其工作原理是：利用微小顆粒對光的散射。當微小顆粒物經過檢測孔時，對光線形成散射。散射光線的一部分通過光軸，經透鏡聚焦到感光元件，感光元件將光信號轉化為電信號輸出。

SO2檢測傳感器使用的是7NE系列紅外SO2傳感器，7NE系列高精度紅外氣體傳感器采用非色散紅外(NDIR)檢測技術，其外形尺寸小，具用設計的獨特的結構特點，還可以按現場的要求設計，傳感器采用鍍金引腳拔插結構，方便安裝更換，可實現即插即用。該產品具有抗干擾性好，壽命長、精度高等特點，內置溫度傳感器，自帶溫度補償。該傳感器使用方便，具備有完整的氣體探測、串口通信功能。

還可以根據實際需要填加CO、二氧化氮等空氣檢測傳感器。

4.1.2 無線網絡通信模塊

（1）通信模塊核心選用了CC2530芯片，CC2530 是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 應用的一個真正的片上系統（SoC）解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網絡節點。該芯片擁有領先的RF收發器，結合了標準的增強型8051 CPU，系統內可編程閃存，8-KB RAM和許多其它的強大功能。其部分結構框圖如圖2所示。

圖2 CC2530簡結框圖

通過軟件設定協調器和采集節點，采集節點通過傳感器采集的信號傳輸給協調器，并由相關擴展電路顯示、保存或可做進一步處理。

（2）接口與擴展電路將通訊模塊作為主板后，通過CC2530芯片的引腳和I/O端口連接所需的外圍器件，便構成了整個空氣監測系統。包括電源電路、顯示模塊、接口電路、ADC轉換電路等。

4.2 軟件設計

ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協議。根據國際標準規定，ZigBee技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。硬件選擇了ZigBee CC2530芯片，應用開發工具我們就采用IAR EW，它是一套完整的集成開發環境，包括代碼編輯器、工程建立、C/C++編譯器、連接和調試等。使用TI公司基于ZigBee的協議棧ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0對CC2530進行初始化與執行操作。使協調器向采集終點節點發布監測任務并收集數據，再通過串口上傳到主機進一步可做其他處理。

4.3 多參數的大氣污染物自動監測系統

在無線自動監測系統中加入數據的審核，空氣質量查詢、分析、評價，污染溯源分析和污染源普查等，把相關數據信息存儲到數據庫中，并實時顯示最新的氣象數據以及最新的空氣污染物濃度值，以圖示的形式來展示最近的大氣監測數據變化趨勢。該工業園區大氣污染自動監測系統框架如圖3所示。

圖3 工業園區大氣污染自動監測系統框架

該系統的優點在于在預警系統中充分利用污染物快速響應、突發事故源遠程快速識別和檢測技術等，幫助預警系統快速獲取大氣污染事故的重要參數。實現了對工業園區大氣環境質量的自動監測，特征污染物的自動監測，氣象數據的監測，工業園區風險源信息的監測。并基于大氣污染擴散模型，可以實現對污染事故的分級預警發布。

5 結語

本文簡單設計了快響應監測無線空氣質量監測系統，希望能在空氣質量預警、治理方面做一點微薄貢獻。