網(wǎng)格化大氣環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

岳雪楠，儲(chǔ) 健

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，天津 300222）

21世紀(jì)以來，不斷加速的現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程使人們一邊享受高科技帶來的便利，一邊污染環(huán)境。環(huán)境污染的形式有很多種，和人們密切相關(guān)的污染主要包括水資源、大氣、廢電池、土地、放射性等方面的污染。近年來，節(jié)能減排、溫室效應(yīng)、總懸浮顆粒物（Total Suspended Particulate，TSP）、可吸入顆粒物[1]（PM2.5）、細(xì)顆粒物（PM10）等和大氣環(huán)境相關(guān)的專有名詞映入人們眼簾，逐漸成為人們關(guān)心的話題。在發(fā)展過程中，不斷加重的霧霾天氣，既損害了人類的健康，又嚴(yán)重破壞了環(huán)境，人們開始注重環(huán)境保護(hù)。

1 研究背景及意義

隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快，各種環(huán)境污染問題開始凸顯，而空氣質(zhì)量作為衡量大氣污染程度的重要指標(biāo)，越來越受國家的重視。為了治理環(huán)境，國家每年都投入大量人力、物力，效果差強(qiáng)人意。目前，國內(nèi)用于空氣質(zhì)量監(jiān)測的方法分兩種[2-3]：人工監(jiān)測和自動(dòng)化監(jiān)測站。工作人員去污染現(xiàn)場采集空氣數(shù)據(jù)并帶回實(shí)驗(yàn)室分析，達(dá)到監(jiān)測目的的方法就是人工監(jiān)測。但是這種方法存在很大問題，比如因?yàn)楣ぷ魅藛T操作失誤導(dǎo)致檢測結(jié)果有偏差、工作人員在污染現(xiàn)場取樣時(shí)會(huì)誤吸入有毒有害氣體導(dǎo)致身體受到傷害、人力成本高且監(jiān)測效果不及時(shí)等。自動(dòng)化監(jiān)測站雖然能夠及時(shí)有效地對大氣環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，但由于體積龐大、價(jià)格昂貴（儀器設(shè)備成本在50～80萬元），維護(hù)和使用的成本較高（建設(shè)成本在10～20萬元），監(jiān)測覆蓋范圍不足，不利于推廣。立足時(shí)代發(fā)展需要，提高監(jiān)測效率，查清污染源，進(jìn)行批量化、網(wǎng)格化[4]的布局監(jiān)測刻不容緩。

網(wǎng)格化大氣環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，通過無線通信方式，將監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總至物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。對空氣站進(jìn)行合理布局，就能實(shí)現(xiàn)多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的互聯(lián)互通，達(dá)到對污染源精準(zhǔn)追蹤的目的。這不僅能大幅降低監(jiān)測成本、節(jié)約人力物力，還能為精準(zhǔn)治污提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支撐。主要意義如下：

（1）精準(zhǔn)把控污染源，實(shí)現(xiàn)定向治理。系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測PM2.5等顆粒物、SO2等有毒有害氣體，確定區(qū)域內(nèi)大氣環(huán)境污染因素，使工作人員能夠準(zhǔn)確找到源頭。

（2）完善監(jiān)測機(jī)制。通過大面積部署監(jiān)測點(diǎn)的方式，以網(wǎng)格的形式實(shí)現(xiàn)大氣環(huán)境全面監(jiān)測，擴(kuò)大覆蓋面。

（3）多角度分析數(shù)據(jù)，為污染防控提供數(shù)據(jù)支撐。系統(tǒng)可以有效分析空氣質(zhì)量，進(jìn)行數(shù)據(jù)對比、報(bào)表統(tǒng)計(jì)等相關(guān)操作，同時(shí)將信息及時(shí)全面地提供給政府部門，使政府部門能夠有針對性地采取措施，提升環(huán)境突發(fā)事件的快速反應(yīng)和處置能力。

2 控制方案

網(wǎng)格化大氣環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)總體由以下部分組成：硬件設(shè)計(jì)、軟件程序編寫以及物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)頁面布局。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 微控制器

本系統(tǒng)選擇STM32系列芯片作為微控制器。由ST公司推出的STM32F103RCT6[5]，是一款嵌入式微控制器集成電路。該芯片搭載32位Cortex-M3內(nèi)核，時(shí)鐘頻率最高可達(dá)到72 MHz，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。由于其在低功耗、高性能、價(jià)格便宜等方面具有突出優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)、醫(yī)療、工業(yè)控制等領(lǐng)域。

2.1.2 氣體采集單元

系統(tǒng)選用智能型氣體傳感器，該傳感器將幾個(gè)氣體測量組件集成在一個(gè)模組內(nèi)，因此體積小、測量準(zhǔn)確。本單元使用擴(kuò)散式氣體檢測方法[6]，被檢測區(qū)的氣體跟隨空氣自由流動(dòng)擴(kuò)散進(jìn)入氣體傳感器中，達(dá)到采集數(shù)據(jù)的目的，各監(jiān)測氣體參數(shù)如表1所示。

表1 各項(xiàng)監(jiān)測氣體參數(shù)

2.1.3 顆粒物監(jiān)測單元

本單元基于激光散射法測量顆粒物濃度，傳感器測量組件以Gustav Mie粒子光散射理論為基礎(chǔ)，結(jié)合微光電探測技術(shù)制作了一套完整的空氣顆粒分布濃度測量系統(tǒng)[7]，顆粒物參數(shù)如表2所示。

表2 監(jiān)測顆粒物參數(shù)

2.1.4 氣象監(jiān)測單元

本單元采用風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器和溫濕度傳感器，實(shí)現(xiàn)對風(fēng)速、風(fēng)向、溫度以及濕度等參數(shù)的測量。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件程序的組成部分如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)軟件流程

（1）硬件設(shè)備上電，中央處理器（Central Processing Unit，CPU）執(zhí)行初始化程序，大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)初始化；

（2）氣體、顆粒物、氣象等傳感器運(yùn)作，開始采集大氣環(huán)境相關(guān)信息；

（3）采集完畢后，傳感器打包數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)發(fā)送至處理單元，由CPU進(jìn)行相應(yīng)的信息處理；

（4）處理完畢后的信息由CPU通過無線通信模塊實(shí)時(shí)傳遞至物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，再由云平臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)操作，如對相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)和分析。

在整個(gè)流程中，若傳感器沒有采集完畢、CPU未接收到或未處理完數(shù)據(jù)等，都將返回至上一步指令重新操作，直至CPU處理完畢。處理完畢的數(shù)據(jù)，經(jīng)由無線通信模塊傳輸至監(jiān)控平臺(tái)。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)

云平臺(tái)通過VC編程實(shí)現(xiàn)界面登錄、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)顯示等相關(guān)操作[8]，綁定硬件設(shè)備后，通過無線通信模塊實(shí)現(xiàn)和硬件設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸[9]。云平臺(tái)接收到數(shù)據(jù)后，可以實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)監(jiān)測的參數(shù)，方便工作人員對系統(tǒng)上傳的實(shí)時(shí)級、分鐘級、小時(shí)級、日級監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行查看，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控；也可以將上傳的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在Excel表中，導(dǎo)出歷史數(shù)據(jù)，方便后期的處理分析。系統(tǒng)將環(huán)境大數(shù)據(jù)匯集到“云平臺(tái)”，就能為網(wǎng)格化平臺(tái)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3 現(xiàn)場演示

將硬件設(shè)備放置在檢測區(qū)，上電之后，打開控制開關(guān)，開始采集大氣環(huán)境相關(guān)參數(shù)，如圖2所示。

圖2 微型監(jiān)測站

數(shù)據(jù)采集完畢后，將云平臺(tái)的IP地址輸入瀏覽器，在登錄界面輸入用戶名和密碼后，就能在云平臺(tái)上實(shí)時(shí)查看環(huán)境參數(shù)信息。平臺(tái)每隔30 s刷新一次數(shù)據(jù)，圖3為存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)。

圖3 歷史數(shù)據(jù)導(dǎo)出

4 結(jié)語

基于傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及無線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種網(wǎng)格化大氣環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括硬件實(shí)物、軟件程序和云平臺(tái)。硬件實(shí)物部分選用STM32芯片為主控制器，采用各種氣體、顆粒物和氣象等傳感器采集相關(guān)數(shù)據(jù)；軟件部分主要是設(shè)計(jì)通信協(xié)議，對多個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包發(fā)送至處理器，由微處理器進(jìn)行相關(guān)的處理后實(shí)時(shí)發(fā)送至云平臺(tái)；通過VC編程實(shí)現(xiàn)云平臺(tái)頁面設(shè)計(jì)，使其能實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測信息，并進(jìn)行存儲(chǔ)等相關(guān)操作。監(jiān)測系統(tǒng)以網(wǎng)格的方式實(shí)現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域的全面覆蓋，同時(shí)提供豐富的數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)對比、報(bào)表統(tǒng)計(jì)等功能，為政府部門精準(zhǔn)治污提供數(shù)據(jù)支撐，有利于保障環(huán)境監(jiān)測的實(shí)時(shí)性、精準(zhǔn)性和環(huán)境治理的科學(xué)性。