煤炭鐵路沿線粉塵污染監測系統設計

謝青龍

（神華新朔鐵路有限責任公司通信技術分公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

煤炭一直是我國的主要能源，并在一段時期內保持這種狀態。煤炭化工、火電廠都靠這種不可再生資源維持，但是我國的煤炭儲量分布不均，主要產地集中在西北內陸地區，但煤炭的需求量卻恰恰相反，東部沿海等經濟發達省份對電能的需求巨大，同時煤化工重點企業也在東部。這就不可避免地需要長途運輸煤炭，鐵路成為首選途徑。在運輸過程中，由于鐵路提速，以及沿途的風力情況，都會造成煤炭揚塵，不僅污染了環境，還給運輸企業帶來經濟損失。目前我國內蒙、山西等地已經建立起多條煤炭運輸專線，成功實現了煤炭產出大省向全國以及港口的運輸。通過鐵路運輸的煤炭，每年達到幾億噸，由于揚塵損失的煤炭不可估量，但是最嚴重的還是揚塵帶來的環境污染。本文將針對鐵路揚塵的特點，研究一套PM2.5粉塵監測系統。

1.系統設計出發點

21世紀我國鐵路經歷了幾次大提速，大大增強了鐵路運力，目前的行駛速度幾乎達到原來的2倍。這無形中增加了煤炭揚塵的嚴重性。雖然近年來鐵路沿線綠化程度有所加強，但是并沒有實現與農田，或其他民用設施的完全隔離。煤炭運輸專線附近，土壤和河流都受到不同程度的污染，給人民群眾的生活和健康帶來很大威脅。

同時，在一些通風不暢的封閉環境，例如隧道等，揚塵帶來的煤粉無法迅速擴散濃度會不斷加大，當達到一定濃度的時候，遇到鐵路上產生的電火花，不可避免地產生爆炸，對鐵路安全運行帶來極大威脅。

隨著空氣污染的加劇，與顆粒物污染有關的過早死亡人數達到年均兩百萬人。美國相關部門也對大氣污染對人類的影響作出了調查：PNAS（美國國家科學院院刊）發布聲明，指出人類因空氣污染，其平均壽命已減少了五年半之多。國際癌癥研究機構（隸屬于世界衛生組織）發布公告，公告清楚地指出大氣污染會誘導人類獲得癌癥，并將大氣污染列為主要環境致癌物質之一。在高濃度顆粒物下長期暴露會導致一系列的呼吸系統疾病與心血管相關疾病甚至是肺癌。PM2.5因為其體積小，傳輸距離遠，空中滯留時間長，所以它能夠吸附更多的重金屬元素和有毒物質，人們吸入PM2.5將會大幅增加致癌、發育畸形，導致突變的概率。

綜上所述，我們研究PM2.5就是為了從根本上對它進行防治，因為它對鐵路運輸安全、環境污染、人體健康帶來極大的危害，還能夠擾亂大氣氣候形成極端天氣。研究PM2.5污染物監測分析系統，能夠對PM2.5進行實時監測，對采集到的PM數據進行分析處理，從而得知該地區的PM2.5污染情況，這樣就能夠針對該地區的特點，對PM2.5超標的現象進行治理。如果相鄰的地區也應用PM2.5污染物監測分析系統的話，那么會形成塊區域聯合治理的現象，也就是說能夠更好地治理PM2.5，在結合風向等天氣因素甚至能夠做到PM2.5局部性的預測。對于PM2.5的治理和防治具有重要意義。

2.監測系統設計

2.1 監測系統整體設計

圖 1 系統結構框圖

本PM2.5污染物監測分析系統基于SDS011 PM2.5傳感器，采用激光散射原理測量PM2.5和PM10濃度，數據實時性高，可靠性強，數字化輸出。如圖1所示，系統核心采用STM32F103RCT6。PM2.5傳感器通過導線連接到STM32的USART3引腳上，而STM32通過USART中斷將PM2.5和PM10的數據包接收并校驗，經過計算得到真正的數據，然后將數據通過LED屏進行實時顯示，方便觀測人員在室外進行實時的數據觀測。與此同時2.4G無線模塊NRF24L01+將PM數值實時傳送到與PC相連的另一個NRF24L01+和USB to TTL模塊上，進而將PM數值傳給PC上的MFC上位機進行處理。

2.2 STM32 處理器模塊

STM32系列為以ARM Cortex-M3為內核地滿足高性能、低功耗、低成本的SOC，它是嵌入式開發的絕佳選擇之一。STM32 F系列分為：基本型、增強型、互聯型。其中，基本型擁有36MHZ的時鐘頻率，是以16位MCU的價格得到32位性能大幅提升的MCU的高性價比產品；增強型擁有高時鐘頻率（72MHZ），與同類產品相比擁有最高的性價比；基本型和增強型都包含32K到128K的程序存儲器，區別在于外設接口的配備和SRAM的容量值。當選擇72MHZ時，從程序存儲器執行代碼，STM32僅消耗36mA的功耗。

ARM Cortex-M3是ARM系列中最高性價比的處理器，它為緊湊的資源、要求低功耗的項目提供了完整的解決方案，同時還擁有快速的計算能力和中斷快速響應的能力。滿足實時性的要求。為實時性要求高的項目設計提供了極大的便捷和無限的可能。ARM Cortex-M3屬于RISC 32位的處理器類型。而且它代碼效率極高，在8位和16位的存儲空間里同樣能夠發揮ARM內核的優點。而且，STM32F103XC/XD/XE增強型因為其核心為ARM核，所以它也能夠用ARM公司提供的各種開發軟件進行項目開發。

2.3 PM2.5 傳感器模塊

SDS011通過激光散射原理，能夠檢測出大氣中細顆粒物的濃度，精度高達0.3-10微米。SDS011數據穩定可靠，采用進口激光器與感光部件進行細顆粒物檢測。產品內置風扇，提高檢測效率，避免誤差。采用數字化輸出，使得數據便于后期處理分析。擁有很高的集成度，在體積很小的情況下就能夠集成PM2.5和PM10的檢測。

SDS011的功能：采用激光檢測，誤差率低、一致性好，輸出數據精準；擁有快速的反應，當場景發生變換時，其響應時間小于等于十秒；自帶風扇，采用串口輸出，方便與單片機、PLC連接，而且輸出可定制，集成度極高；精度極高，能夠檢測大氣中0.3-10微米的細顆粒物，測量范圍廣。

2.4 NRF24L01無線通信模塊

NRF24L01的特點較為明顯，它有著極低的功耗：當它以-6dbm工作在發射模式下，其電流僅消耗9mA，當它工作在接收模式下，其電流僅消耗12.3mA。如果想要更低的功耗，則可以考慮掉電模式和待機模式。

當NRF工作在增強型的Shock Burst模式下，且MCU有數據要發送時，NRF就會轉為Shock Burst模式來發送數據，當發送完畢后，NRF立刻轉換為接收模式（為了等待接收應答信號），如果沒有接收到應答信號，NRF會重新發送此數據包。或者當重發次數超出一定值（SETUP_RETR_ARC中設置的值）則報錯并中斷。反之，當NRF接收到了應答信號，就認為發送數據成功，清空發送緩存區，并產生一個發送成功的中斷。在增強型Shock Burst模式下，NRF的這些特點較為突出：一是功耗低，當NRF工作在應答模式時，啟動時間短，傳輸速度快，降低了功耗。二是碰撞現象少。因為空中傳輸速度極快，所以產生碰撞的幾率很小。三是成本低廉。NRF不需要單片機上有SPI接口，因為也可以用IO口來模擬SPI的功能。而且本身已經集成了自動重發丟包和接收應答信號，所以極大地節約了項目開發成本。四是開發方便。因為芯片上集成了鏈路層，所以在軟硬件的開發上十分方便。五是正確率高。因為采用了數據包識別和CRC校驗，保證了發送接收的每個包都是正確的和完整的。NRF中每包數據包括兩位PID值用來辨識。接收方接收到的數據包PID值若和上一個數據包PID值相同，則比較前后兩個包的CRC值，如果CRC值相同，則說明這是一個重發的數據包而丟棄。NRF每取得一個新的數據包，則PID值加1。

3.結語

我國的煤炭儲量分布不均，主要產地集中在西北內陸地區，但煤炭的需求量卻恰恰相反，這就不可避免地需要長途運輸煤炭，鐵路成為首選途徑。由于鐵路提速等因素影響，運輸過程中的揚塵情況進一步加劇，本論文針對污染監測需求，設計了鐵路粉塵監測系統，實現了PM2.5的實時監測。