網格化大氣環境在線監測系統設計

岳雪楠，儲 健

（天津職業技術師范大學 自動化與電氣工程學院，天津 300222）

21世紀以來，不斷加速的現代化建設進程使人們一邊享受高科技帶來的便利，一邊污染環境。環境污染的形式有很多種，和人們密切相關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，節能減排、溫室效應、總懸浮顆粒物（Total Suspended Particulate，TSP）、可吸入顆粒物[1]（PM2.5）、細顆粒物（PM10）等和大氣環境相關的專有名詞映入人們眼簾，逐漸成為人們關心的話題。在發展過程中，不斷加重的霧霾天氣，既損害了人類的健康，又嚴重破壞了環境，人們開始注重環境保護。

1 研究背景及意義

隨著工業化進程的加快，各種環境污染問題開始凸顯，而空氣質量作為衡量大氣污染程度的重要指標，越來越受國家的重視。為了治理環境，國家每年都投入大量人力、物力，效果差強人意。目前，國內用于空氣質量監測的方法分兩種[2-3]：人工監測和自動化監測站。工作人員去污染現場采集空氣數據并帶回實驗室分析，達到監測目的的方法就是人工監測。但是這種方法存在很大問題，比如因為工作人員操作失誤導致檢測結果有偏差、工作人員在污染現場取樣時會誤吸入有毒有害氣體導致身體受到傷害、人力成本高且監測效果不及時等。自動化監測站雖然能夠及時有效地對大氣環境進行監測，但由于體積龐大、價格昂貴（儀器設備成本在50～80萬元），維護和使用的成本較高（建設成本在10～20萬元），監測覆蓋范圍不足，不利于推廣。立足時代發展需要，提高監測效率，查清污染源，進行批量化、網格化[4]的布局監測刻不容緩。

網格化大氣環境在線監測系統以物聯網技術為基礎，通過無線通信方式，將監測數據匯總至物聯網云平臺。對空氣站進行合理布局，就能實現多個監測點的互聯互通，達到對污染源精準追蹤的目的。這不僅能大幅降低監測成本、節約人力物力，還能為精準治污提供強大的數據支撐。主要意義如下：

（1）精準把控污染源，實現定向治理。系統實時監測PM2.5等顆粒物、SO2等有毒有害氣體，確定區域內大氣環境污染因素，使工作人員能夠準確找到源頭。

（2）完善監測機制。通過大面積部署監測點的方式，以網格的形式實現大氣環境全面監測，擴大覆蓋面。

（3）多角度分析數據，為污染防控提供數據支撐。系統可以有效分析空氣質量，進行數據對比、報表統計等相關操作，同時將信息及時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，提升環境突發事件的快速反應和處置能力。

2 控制方案

網格化大氣環境在線監測系統總體由以下部分組成：硬件設計、軟件程序編寫以及物聯網云平臺頁面布局。

2.1 系統硬件設計

2.1.1 微控制器

本系統選擇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內核，時鐘頻率最高可達到72 MHz，具有強大的數據處理能力。由于其在低功耗、高性能、價格便宜等方面具有突出優勢，被廣泛應用于環境保護、醫療、工業控制等領域。

2.1.2 氣體采集單元

系統選用智能型氣體傳感器，該傳感器將幾個氣體測量組件集成在一個模組內，因此體積小、測量準確。本單元使用擴散式氣體檢測方法[6]，被檢測區的氣體跟隨空氣自由流動擴散進入氣體傳感器中，達到采集數據的目的，各監測氣體參數如表1所示。

表1 各項監測氣體參數

2.1.3 顆粒物監測單元

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，結合微光電探測技術制作了一套完整的空氣顆粒分布濃度測量系統[7]，顆粒物參數如表2所示。

表2 監測顆粒物參數

2.1.4 氣象監測單元

本單元采用風速傳感器、風向傳感器和溫濕度傳感器，實現對風速、風向、溫度以及濕度等參數的測量。

2.2 系統軟件設計

系統軟件程序的組成部分如圖1所示。

圖1 系統軟件流程

（1）硬件設備上電，中央處理器（Central Processing Unit，CPU）執行初始化程序，大氣環境監測系統初始化；

（2）氣體、顆粒物、氣象等傳感器運作，開始采集大氣環境相關信息；

（3）采集完畢后，傳感器打包數據并實時發送至處理單元，由CPU進行相應的信息處理；

（4）處理完畢后的信息由CPU通過無線通信模塊實時傳遞至物聯網云平臺，再由云平臺進行相應操作，如對相應的數據進行處理、存儲和分析。

在整個流程中，若傳感器沒有采集完畢、CPU未接收到或未處理完數據等，都將返回至上一步指令重新操作，直至CPU處理完畢。處理完畢的數據，經由無線通信模塊傳輸至監控平臺。

2.3 物聯網云平臺

云平臺通過VC編程實現界面登錄、數據存儲以及數據顯示等相關操作[8]，綁定硬件設備后，通過無線通信模塊實現和硬件設備之間的數據傳輸[9]。云平臺接收到數據后，可以實時顯示系統監測的參數，方便工作人員對系統上傳的實時級、分鐘級、小時級、日級監測數據進行查看，實現遠程監控；也可以將上傳的數據存儲在Excel表中，導出歷史數據，方便后期的處理分析。系統將環境大數據匯集到“云平臺”，就能為網格化平臺提供數據基礎。

3 現場演示

將硬件設備放置在檢測區，上電之后，打開控制開關，開始采集大氣環境相關參數，如圖2所示。

圖2 微型監測站

數據采集完畢后，將云平臺的IP地址輸入瀏覽器，在登錄界面輸入用戶名和密碼后，就能在云平臺上實時查看環境參數信息。平臺每隔30 s刷新一次數據，圖3為存儲的歷史數據。

圖3 歷史數據導出

4 結語

基于傳感器技術、物聯網技術以及無線通信技術，設計了一種網格化大氣環境在線監測系統，該系統主要包括硬件實物、軟件程序和云平臺。硬件實物部分選用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數據；軟件部分主要是設計通信協議，對多個傳感器采集的數據進行打包發送至處理器，由微處理器進行相關的處理后實時發送至云平臺；通過VC編程實現云平臺頁面設計，使其能實時顯示監測信息，并進行存儲等相關操作。監測系統以網格的方式實現監測區域的全面覆蓋，同時提供豐富的數據分析、數據對比、報表統計等功能，為政府部門精準治污提供數據支撐，有利于保障環境監測的實時性、精準性和環境治理的科學性。