城市微環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 青，范祥祥，徐永健，薛鴻霏

（湖州師范學(xué)院 信息工程學(xué)院，浙江 湖州 313000）

0 引 言

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)工業(yè)化發(fā)展加快的同時(shí)也引發(fā)了一系列環(huán)境問(wèn)題。近年來(lái)，國(guó)家出臺(tái)了許多針對(duì)性措施，極大改善了環(huán)境狀況。但是目前我國(guó)環(huán)境依然面臨一些嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。根據(jù)中華人民共和國(guó)生態(tài)環(huán)境部2018年發(fā)布的《2018中國(guó)生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》，有217個(gè)城市環(huán)境空氣質(zhì)量超標(biāo)，338個(gè)城市重度污染達(dá)到1 899天次，嚴(yán)重污染甚至達(dá)到822天次[1]。發(fā)展城市空氣微環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，追溯空氣污染源以改善城市整體空氣質(zhì)量是必要的舉措。

本文將介紹一種空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、服務(wù)器以及Web終端。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)主要空氣污染數(shù)據(jù)的采集并實(shí)時(shí)上傳。此外，該節(jié)點(diǎn)還具備定位功能以滿(mǎn)足節(jié)點(diǎn)隨機(jī)布置的需求。服務(wù)器接收并存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)構(gòu)建微環(huán)境空氣質(zhì)量云圖。通過(guò)Web終端查詢(xún)可及時(shí)發(fā)現(xiàn)空氣污染的熱點(diǎn)，預(yù)測(cè)污染物擴(kuò)散趨勢(shì)。

1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)環(huán)境空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)，在待監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)合理布置多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，以定時(shí)讀取傳感器數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)整合后打包發(fā)送。打包數(shù)據(jù)經(jīng)基站傳至服務(wù)器，服務(wù)器將數(shù)據(jù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)中，并完成數(shù)據(jù)分析和云圖構(gòu)建。用戶(hù)通過(guò)終端設(shè)置相應(yīng)參數(shù)從服務(wù)器調(diào)閱云圖數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2 硬件電路設(shè)計(jì)

城市空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電路原理如圖2所示。系統(tǒng)主要由電源模塊、微處理器、空氣質(zhì)量傳感器模塊和通信定位模塊組成。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)可將采集到的污染物濃度以及地理位置數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通信傳送到監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器。

圖2 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)原理

2.1 傳感器模塊

為實(shí)現(xiàn)有害氣體和粉塵這兩類(lèi)空氣主要污染物的檢測(cè)，選用半導(dǎo)體氣體傳感器和激光傳感器作為主要感知元件。

空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)的主要污染氣體包括SO2、NO2、O3和CO。半導(dǎo)體氣體傳感器的制造工藝成熟，便于器件集成化，且性能穩(wěn)定、價(jià)格便宜，可以極大地降低成本[2]。本系統(tǒng)選擇MQ-7型傳感器（檢測(cè)范圍1～1 000 ppm）檢測(cè)CO，選用MICS-4514型傳感器（檢測(cè)范圍0.5～10 ppm）檢測(cè)NO2，選用MQ-131型傳感器（檢測(cè)范圍0.05～10 ppm）檢測(cè)O3，選用2SH12型傳感器（檢測(cè)范圍5～100 ppm）檢測(cè)SO2。氣體傳感器模塊對(duì)環(huán)境中的特定氣體比較敏感，模塊數(shù)字量輸出DOUT與單片機(jī)相連，通過(guò)單片機(jī)檢測(cè)高低電平，通過(guò)單片機(jī)自帶A/D進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，以獲得精準(zhǔn)的環(huán)境氣體濃度數(shù)值。

粉塵監(jiān)測(cè)主要針對(duì)PM2.5和PM10。激光傳感器具有速度快、精度高、量程大以及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[3]。本文選用PMS7003型激光傳感器（測(cè)量范圍0～500 μg/m3），該傳感器可實(shí)現(xiàn)對(duì)PM2.5和PM10的同時(shí)測(cè)量。芯片通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，并將采集的數(shù)據(jù)以數(shù)字量形式輸出。

2.2 通信定位模塊

空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)通常在城市中使用且通信距離較長(zhǎng)，故本文選用4G通信作為主要通信方式。4G通信速度快、網(wǎng)絡(luò)頻譜寬、通信靈活、兼容性好，可以滿(mǎn)足將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至服務(wù)器的要求[4]。為實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)定位和空氣污染溯源，同時(shí)增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)在不同應(yīng)用環(huán)境的融入性和適用性，本設(shè)計(jì)選用GPS定位以滿(mǎn)足節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)需求。

基于以上兩點(diǎn)，本文選用SIM7600CE-T模塊，該模塊集成有4G通信和GPS定位功能，與單片機(jī)通過(guò)串口發(fā)送AT指令實(shí)現(xiàn)對(duì)模塊的控制與數(shù)據(jù)信息的傳輸[5]。

2.3 微處理器

通過(guò)以上設(shè)計(jì)可以發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)集成了多個(gè)傳感器并包含了通信定位模塊。為滿(mǎn)足數(shù)據(jù)采集和處理需求，本文選用STM32F103RCT6作為主控芯片。這是一種嵌入式-微控制器集成電路，芯片主頻最高為72 MHz，處理能力為1.25 DMIPS/MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器（512 KB閃存和64 KB SRAM），其豐富的增強(qiáng)I/O端口能充分滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)多傳感器的需求[6]。

2.4 電源模塊

由于傳感器節(jié)點(diǎn)分布在城市中，因此以市電作為供電方式最為方便，但市電為220 V交流電，無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)計(jì)中節(jié)點(diǎn)各模塊的用電需求，于是設(shè)計(jì)了220 V轉(zhuǎn)5 V和轉(zhuǎn)3.3 V的線性穩(wěn)壓電源模塊。

線性穩(wěn)壓電源模塊接入220 V/50 Hz的交流電后，經(jīng)220 V轉(zhuǎn)15 V變壓器將電壓降低輸出到整流橋，同時(shí)接入保險(xiǎn)絲進(jìn)行短路保護(hù)，整流橋?qū)⒔涣麟娹D(zhuǎn)變?yōu)槊}動(dòng)較大的單向直流電壓，再接入濾波電路得到平滑的電壓輸出，最后通過(guò)LM7805和LM7905穩(wěn)壓模塊得到低噪聲、穩(wěn)定的±5 V電壓輸出[7]，通過(guò)ASM1117穩(wěn)壓芯片將5 V電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)程序流程如圖3所示。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)讀取地理位置坐標(biāo)，并查詢(xún)當(dāng)前時(shí)間，若時(shí)間為15 min的整數(shù)倍時(shí)，連接服務(wù)器，讀取傳感器數(shù)據(jù)并上傳（將時(shí)間控制在規(guī)律的時(shí)間點(diǎn)，有助于后續(xù)數(shù)據(jù)的整理）。

圖3 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)程序流程

主控芯片通過(guò)UART與4G模塊相連，通過(guò)發(fā)送AT指令對(duì)4G模塊進(jìn)行控制。節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)首先進(jìn)行初始化操作，結(jié)束后查詢(xún)當(dāng)前GPS并將信息保存在本地，由于節(jié)點(diǎn)基本不做移動(dòng)，所以只需在節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生移動(dòng)時(shí)手動(dòng)重置GPS即可。

3.2 服務(wù)器接收程序設(shè)計(jì)

接收程序單個(gè)線程流程如圖4所示。接收程序初始化完成后首先進(jìn)行數(shù)據(jù)服務(wù)器連接，然后打開(kāi)相應(yīng)端口準(zhǔn)備TCP連接，由于節(jié)點(diǎn)眾多，單線程進(jìn)行TCP連接效率較低，所以可根據(jù)實(shí)際節(jié)點(diǎn)數(shù)量采用多端口多線程進(jìn)行接收，以確保數(shù)據(jù)接收速度與準(zhǔn)確率。節(jié)點(diǎn)在與服務(wù)器確認(rèn)連接后將整理完成的數(shù)據(jù)傳送至服務(wù)器，接收后將數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪、轉(zhuǎn)換，寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖4 服務(wù)器接收程序流程

3.3 前后端交互設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)查詢(xún)主要通過(guò)Web終端實(shí)現(xiàn)，其與服務(wù)器的交互流程如圖5所示。終端采用HTML5+JavaScript編寫(xiě)，不受操作系統(tǒng)影響，可移植性強(qiáng)。HTML5負(fù)責(zé)展示界面，云圖制作由JavaScript完成。用戶(hù)可在終端界面選擇相應(yīng)的時(shí)間、污染物類(lèi)型，然后向服務(wù)器發(fā)出查找請(qǐng)求，終端獲取服務(wù)器響應(yīng)后展示云圖及相關(guān)信息。

3.4 云圖效果示意

云圖利用熱力圖生成算法生成。根據(jù)采集整理好的數(shù)據(jù)，為每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)設(shè)置一個(gè)從中心向外灰度漸變的圓，利用灰度疊加原理，計(jì)算每個(gè)像素點(diǎn)數(shù)據(jù)交叉疊加得到的灰度值[8]，即可得到如圖6所示的灰度漸變疊加圖。根據(jù)計(jì)算得到的灰度值對(duì)圖像進(jìn)行顏色映射，得到如圖7所示的彩色圖。不同的色彩代表不同的污染程度，達(dá)到重度污染閾值以上即為紅色，污染重輕顏色按赤橙黃綠藍(lán)遞減。該圖可以在地圖上清晰呈現(xiàn)出空氣污染源位置及污染擴(kuò)散方向，便于環(huán)境部門(mén)預(yù)測(cè)污染物的擴(kuò)散趨勢(shì)，并及時(shí)準(zhǔn)確地采取防治措施。

圖6 圓形灰度漸變疊加圖

圖7 彩色映射圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套城市微環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、服務(wù)器以及Web終端組成，實(shí)現(xiàn)了多種類(lèi)空氣污染物的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)主要由電源模塊、微處理器、空氣質(zhì)量傳感器模塊和通信定位模塊組成，可及時(shí)采集空氣污染數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)上傳。服務(wù)器接收傳感器數(shù)據(jù)后寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)保存，并利用數(shù)據(jù)構(gòu)建微環(huán)境空氣質(zhì)量云圖。Web終端從服務(wù)器讀取數(shù)據(jù)，并以熱力圖的形式直觀呈現(xiàn)在城市地圖上，用戶(hù)通過(guò)生成的云圖對(duì)污染源做進(jìn)一步分析預(yù)測(cè)。該系統(tǒng)在城市微環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)和預(yù)警方面具有較高的應(yīng)用價(jià)值。