基于GNSS的空間PM2.5檢測系統設計及應用

張健琿,楊國林,邵明， 安旭偉,張波,

（１．蘭州交通大學測繪與地理信息學院，甘肅蘭州730070；2．甘肅省地理國情監測工程實驗室，甘肅蘭州730070；3．河南科技學院信息工程學院，河南新鄉453000）

0 引 言

PM2．5濃度是人們非常關注的空氣質量指標之一．PM2．5又稱細顆粒，是指空氣中空氣動力學當量直徑小于等于2．5μｍ 的顆粒物[1－3]，一般含有大 量的有毒、有害物質，加上它在大氣中的停留時間長、輸送距離遠，因而對大氣空氣質量和人體健康的影響都非常大。國內外學者對ＰＭ２．５的產生、空間分布和抑制消除方法都進行了許多研究，并取得 了一定的成果[4-5]．

針對PM2．5空氣污染物空間檢測難度大、傳統檢測靈活性低等缺點，提出了基于GNSS的空間PM2．5檢測系統，系統包括主控、PM2．5傳感器、GNSS 定位模塊、電源模塊、數據記錄模塊、4G網絡模塊等部分。該系統不僅能實現PM2.5濃度的移動檢測，而且能夠將濃度信息與空間位置信息進行匹配，拓展了空氣質量監測的作業空間，提高了作業 方式的靈活性，能應用于空氣質量空間分布的動態分析、實時道路空氣情況預報和消防救災等領域[6-7]．

1 系統工作原理及實現

本系統以單片機為核心，結合傳感器、網絡通信和計算機等技術[8-9]，完成了PM2.5濃度檢測、位置信息提取和數據匹配等工作，最后利用4G網絡 模塊和記錄模塊對數據進行發送和存儲，為后續數據分析及處理提供了條件．

1.1 系統工作流程

本系統的工作流程為：接通電源，系統的各部分完成初始化配置后，PM2．5傳感器及GNNSS定位模塊同時開始工作，它們不斷地將檢測到的顆粒物濃度和定位的原始信息發送給單片機主控；主控調整內部工作次序進行數據的接收和處理，處理過程包括解析、匹配和發送等步驟；最后將處理后的數據利用4G網絡模塊進行上傳，或者利用數據記錄模塊進行保存，從而完成對空間特定點PM2.5濃度 的檢測和記錄．

1.2 系統總體結構

本系統由主控、PM2．5傳感器、GNSS定位模塊、電源模塊、數據記錄模塊、4G網絡模塊等部分組成．其中數據記錄模塊和4G網絡模塊都支持數據透明傳輸，可以根據需要選擇其中的一個或者兩 個，系統的總體結構如圖1所示．

圖1 系統總體結構圖

1.3 主控模塊電路設計

根據需求優選出了較為經濟合理的方案，選用的單片機主控為STC12C5A60S2，它是8051家族的成員，具有高速、低功耗、性能穩定、超強抗干擾等優點，完全適合工業級別的指令集以及輸出管腳分布．另外它有兩個串行端口，能夠滿足本系統設計的需求[10-11]．

最小系統是單片機保持正常工作的簡單電路．本設計的最小系統電路包含電源電路、復位電路、時鐘電路和UBS下載電路等四個部分，其中電源電路、復位電路、時鐘電路是保證單片機正常工作 最基本的電路，本設計最小系統如圖2所示．

1）電源電路．單片機的VCC引腳和GND引腳分別連接直流電源的正極和負極，通過在兩電源引腳之間連接電容的方式來抑制雜波串擾，確保電路的穩定．

2）時鐘電路．晶振頻率決定著單片機的工作頻率，STC12C5A60S2單片機的工作頻率在2～3ＭＨｚ范圍，一般選取11.0592MHｚ．

3）復位電路．可通過按復位按鈕的方法使單片機進行快速復位．

4）USB下載電路．利用USB／TTL工具連接UART 接口，通過ISP下載方式來實現單片機程序的燒寫．

圖２ 最小系統圖

1．4 GNSS定位模塊和PM2.5傳感器電路設計

GNSS定位模塊支持北斗、GPS和GLONASS等多模衛星系統[12-13]，同時帶有SMA和IPEX兩種天線接口，方便用戶選擇需要的外置天線．模塊采用3.3～5V供電，可掉電記憶波特率和幀數據等設置信息．模塊有定位導航、內置天線檢測及天線短路保護等功能．另外模塊具有PPS授時輸出引腳，可以做時鐘同步等應用．GNSS定位模塊應用電路如圖3所示．

PM2.5傳感器采用激光散射原理[14-15]對PM2．5及OM10的濃度進行檢測，檢測結果以十六進制數據報文的形式通過串口發送給單片機主控，報文包62 全 球 定 位 系 統第43卷 括報文頭、指令號、PM2.5高低字節、PM10高低字節、傳感器ID、校驗和、報文尾等部分．假設PM2.5和PM10的高字節對應的十進制數值分別為X和V，低字節分別為Y 和W，通過式（1）、式（2）可以分別計算出PM2．5和PM10的濃度值E和F，單位為μｇ／ｍ3．

E=［[(X×256)+Y］／10

（1）

F=[(V×256）+W ]／10．

（2）

過程不發生失真，其應用電路如圖３所示（注：GNSS定位模塊和PM2.5傳感器電路放在同一個圖中）

圖3 GNSS定位模塊和PM2.5傳感器電路圖

1.5 4G網絡模塊和數據記錄模塊電路設計

根據應用場景可以選擇4G網絡模塊或者是數據記錄模塊，4G網絡模塊和數據記錄模塊都支持數據透明傳輸．數據記錄模塊將串口送來的數據以txt文件形式存儲于模塊上的SD卡中，在連接USB端口時該模塊仿真成U盤，可直接讀取文件，也可將SD卡卸下由讀卡器讀出文件．4G網絡模塊配合SIM流量卡使用，支持多種LTE頻段，向下兼容4G和2G網絡，通過移動網絡將數據以特定的形式發送到指定網絡端口[16]．應用電路如圖4所示（注：4G網絡模塊和數據記錄模塊電路放在同一個圖中）．

圖4 4G網絡模塊和數據記錄模塊電路圖

1.6 系統軟件設計

主程序調用各個子程序的C語言文件中定義的函數，實現PM2．5傳感器和GNSS定位模塊的初始化、數據處理匹配、發送等操作，最后將處理完成的數據交由數據記錄模塊存儲或者由4G 網絡模 塊上傳，主程序流程如圖5所示．（中斷服務是數據解析中的獨立步驟，不需要連接）

圖5 系統主程序流程圖

2 性能測試

經過電路板的設計、制作、焊接和檢查后，接通電源，測試各器件的基本電氣特性．測試包括以下三步：

1）在單片機STC12C5A60S2中依次寫入單個模塊的測試程序，測試各軟件及對應硬件的工作性能，然后對完整的系統性能進行測試，試驗獲得的 部分數據如表1所示．

2）通過沿著固定直線緩慢移動的方式對系統的定位精度進行測試，測試結果如圖6所示。圖中直線為實際移動軌跡，點是實際系統定位的結果，坐標軸以秒為單位．

圖6 定位精度測試

3）在實驗室環境中對本系統PM2.5檢測的精度進行測試，首先獲得多組空氣樣本，然后將同一樣本分為兩份，分別利用重量法和本系統多次測得其PM2.5及PM10的含量值，最后將多組測試結果 進行對比．經統計其誤差為±10μｇ／ｍ3．

經測試，本系統基本電氣特性及性能指標如表2所示．

表1 數據示例

表2 基本電氣特性及性能測試結果

3 實際應用案例

基于GNSS的PM2.5空間檢測系統克服了傳統空氣質量檢測的空間范圍小、作業方式單一和靈活性低等缺點，應用領域包括但不限于以下三個方面：

１）構建PM2.5空間分布模型．在系統設計中選64 全 球 定 位 系 統第43卷取數據記錄模塊，利用無人機搭載該系統進行空間顆粒物濃度的檢測，以道路為中心選取某一區域進 行研究．區域的長和寬分別100ｍ和60ｍ，以道路中心線為橫軸，以垂直于道路為縱軸，無人機飛行的起始點為橫軸0，縱軸－30坐標處，單位為ｍ．經過航線規劃、數據采集、坐標轉換等步驟，建立的PM2.5短時分布模型如圖7所示，圖中PM2.5濃度單位為μｇ／ｍ3．

2）道路實時空氣狀況圖．在系統設計中選取4G網絡模塊，利用公共交通設備搭載該系統進行道路實時顆粒物濃度的檢測．選取某區域為研究對象，經過數據采集、數據處理分析、圖形繪制等，建立的道路實時空氣狀況如圖8所示．

3）消防救災．本系統具有體積小、重量輕、工作穩定靈活等優點，可安裝在無人機、公共交通和消防機械等設備上，從而可以應用于突發空氣質量事件應急及消防等領域．

圖7 PM2.5濃度分布圖

圖8 道路實時空氣狀況圖

4 結束語

現代社會，人們對美好生活的向往越來越強烈，對生活環境的關注度也越來越高．本系統以單片機為核心，結合傳感器、計算機和網絡技術，實現了基于GNSS的空間PM2.5Ｐ檢測系統設計．帶有位 置信息的PM2.5濃度數據能夠在特定工作環境中發揮重要作用．本系統大大拓展了傳統空氣監測的范圍和靈活性，在PM2.5時空分布發展研究、道路實時空氣狀況監測和消防救災等領域有廣闊的應用前景．