降塵量自動監測系統設計

沈 斌

(上海工業自動化儀表研究院有限公司，上海 200233)

0 引言

大氣降塵是地球表層地氣系統物質交換的一種形式[1]。降塵量可以較客觀地反映與評價城市局部地區揚塵污染水平，對評價環境空氣質量具有實際意義。近幾年，中國北方地區在冬季經常出現PM10以上大顆粒物嚴重超標的現象[2]。降塵量監測已成為環境監測的1項重要指標。但目前環境監測系統內普遍采用的還是較落后的手工測量法。近年來，國內也逐步出現了基于壓力傳感器或β射線來自動監測降塵的儀器。但這些儀器基本仍處于前期研究或樣機試驗階段，尚無成功的業務化應用案例[3]。

本文設計了基于重量法原理的降塵監測儀器。以該儀器為數據采集核心，通過對自動控制、嵌入式系統、通信及計算機技術的綜合應用，本文設計了1套降塵量自動監測系統，以實現降塵監測的高效化、無人化、可視化。該設計解決了手工法存在的一系列問題，為替代傳統手工測量法、推廣降塵量自動監測提供了全新思路。

1 降塵量監測方法

1.1 降塵量手工測量法

降塵是指在空氣環境條件下靠重力自然沉降在集塵缸中的顆粒物。目前，傳統的監測方法主要為手工測量法。該方法通過在適宜地方設置規定大小的開口集塵缸，采集自然降塵。缸內裝有乙二醇水溶液。監測人員每月將缸內含有降塵的液體轉移至實驗室，并在實驗室內進行蒸發、干燥、稱重、計算這一系列步驟后，得到每月的降塵量[4]。

1.2 自動監測的意義

在長期的手工測量法降塵監測實踐中，手工測量法監測存在的工作量大、效率低、受人為影響及環境限制較重、實驗室操作風險大[5-6]等局限性逐漸顯現。

降塵自動監測技術能有效解決手工測量法存在的諸多問題。例如：采樣周期1～2 d，解決了手工測量法監測時間分辨率低的問題；自動采樣、自動稱量和自動計算，消除了人為因素干擾的問題；運維工作量小，解決了人工放樣、巡檢工作量大的問題；實時調取監測數據，解決了數據滯后、時效性差的問題。

面對日益嚴峻的環境問題以及突發狀況，降塵量的自動監測更能夠滿足精細化管控環境質量的要求。

2 總體設計

基于物聯網技術的端+平臺在環保領域空氣監測、水資源監測、垃圾分類回收中已經逐步開始應用[7]。降塵量自動監測系統以當前的物聯網概念為設計思路，從數據采集、計量、傳送、應用等多方面入手，設計降塵監測儀，并將其與通信網絡、信息平臺、用戶終端整合為一體化系統。單臺監測儀由嵌入式系統控制自動運行。各降塵采集點的監測儀通過移動網絡與信息平臺進行數據交互。信息平臺對各地的監測儀進行統一管理。數據用戶及工作人員通過平臺獲取數據、報表，實現測試、維護等功能。

降塵監測儀是監測系統的關鍵設備，需在戶外全天候條件下對自然降塵進行采集、烘干，并實現就地高精度稱量。降塵監測儀在工作過程中自動上傳本底值、校準值、稱量值等測量數據，以及儀器結構狀態、儀器故障信號等信息。

通信網絡主要由無線網絡構成，通過4G/5G網絡將降塵自動監測儀連入互聯網，實現儀器與信息平臺的互聯互通。

信息平臺對運行中的監測儀進行設備管理、參數設置、固件升級等操作，并對降塵監測數據及儀器狀態數據進行存儲、顯示、統計分析與加工處理，形成各類報表或進行數據轉發。

系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

用戶終端包括計算機和移動設備。計算機用于信息平臺的日常訪問、報表打印等。移動設備一般供現場儀器維護隊伍使用。

3 系統設計

3.1 降塵監測儀設計

降塵監測儀是監測系統的核心設備，對環境空氣中可沉降顆粒物質量進行連續自動監測，并具備數據傳輸、存儲、分析和處理的功能。降塵監測儀主要由集塵艙、測量艙、樣品移轉機構、自動控制恒溫恒濕、主控制單元等組成。

降塵監測儀原理如圖2所示。

圖2 降塵監測儀原理圖

①集塵艙。

集塵艙由集塵桶、采集盤、升降機構、防雨裝置和加熱裝置組成。集塵桶為降塵的大口徑收集容器。采集盤是儲存容器，位于集成桶下方。通過升降機構，可以將采集盤和集塵桶連接或分離。集塵桶內壁采用防水防塵納米涂層，外壁裝有振動器，以促進降塵進入集塵桶下部的采集盤。

采集盤儲存由集成桶采集的降塵。降塵經過加熱、蒸發、冷卻后由移轉機構移入測量艙稱量。

防雨裝置由可旋轉雨蓋和雨量監測器組成。雨蓋位于集塵桶上方。當監測雨量達到閾值時，自動關閉雨蓋，以防止集塵桶內液體溢出。

加熱裝置由陶瓷加熱盤及溫度傳感器構成，位于采集盤下方。通過升降裝置將采集盤與集塵桶脫離后，加熱裝置與采集盤就可以緊密貼合以保證加熱效果。加熱裝置在下雨結束后以及稱量前，對采集盤進行加熱、蒸發。

②測量艙。

測量艙是儀器的核心部件，為單獨設置的恒溫恒濕艙室，內設精密天平、升降機構、溫濕度傳感器等。

測量艙下方留有恒溫恒濕裝置的進出風口。采集盤通過移轉機構在測量艙與集塵艙之間來回轉運。采集盤位于測量艙內時，可由升降機構將其降至精密天平稱量位，在稱量接收后再升至移出位，由移轉機構送回集塵艙。

精密電子天平應達到萬分之一精度，可依據主控制單元要求進行多次稱量并反饋數據。每次稱量時，需保持溫濕度基本相同，以保證稱量的重復性誤差滿足要求。降塵監測儀長期在室外環境工作，需采用特殊加工處理的抗銹蝕電子天平，以延長使用壽命、確保準確度，并需要定制秤盤以滿足采集盤的尺寸。

測量艙內頂部設置攝像頭，在每次稱量時進行拍照，并通過主控制單元傳送至信息平臺。

③樣品移轉機構。

移轉機構包括電機、絲桿、定位光電開關、托架等。移轉機構通過電機的正反轉帶動絲桿，實現托架連同采集盤進出測量艙。

④恒溫恒濕裝置。

恒溫恒濕裝置依據測量艙的空間定制化設計，安裝于儀器的底部，與測量艙的進出風口相連。裝置由可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)進行自動控制，采集測量艙內的溫濕度信號，并根據主控制單元的要求自動調整測量艙內溫濕度。

⑤主控制單元。

主控制單元采用嵌入式方案定制開發控制板。ARM處理器是目前業界公認的、領先的嵌入式處理器[8]。因此，本設計使用M4內核STM32芯片作為主控芯片。控制板內集成網口實現聯網功能，包括多個電機控制系統和與之對應的限位傳感器，用于控制機械結構的運行。控制板配置了多個串口用于連接串口設備，包括3個TTL串口、1個DB9連接計算機端的232串口和2根RS-485總線。預留多個12 V開關接口用于后期優化升級控制設備，如水泵、繼電器等。

3.2 嵌入式系統邏輯設計

降塵監測儀主控制單元通過嵌入式系統的邏輯動作設計，實現監測儀自動測量初始值、自動變換結構及采樣、自動干燥并恒溫恒濕、自動測量、自動上傳數據等功能。

監測儀工作設計為5個模式，分別為常規循環工作、本底值稱量、測試循環、測試單步和運維。

常規循環工作是降塵儀的日常工作模式，由信息平臺在儀器配置文件中設定循環工作的時間，暫定按48 h稱量1次，每次0點開始稱量。

本底值稱量即在儀器更換采集盤后，首次對空盤重量進行稱量。此值作為后續稱量數據需扣除的本底值。本階段儀器將本底值稱量后上傳平臺，經人工判斷后由信息平臺給出重新稱量或模式切換指令。測試循環/單步模式均為測試儀器穩定性，與常規循環工作模式相比簡略或縮短了某些步驟，提高了測試的效率。

降塵儀監測首次上電時，將進行設備初始化工作，復位各電機至初始位置狀態，結束后根據信息平臺指令進入相應工作模式。以常規循環模式為例，降塵監測儀的自動工作流程設計包括降塵采集和降塵測量這2個階段。循環往復，整個流程一般設置為48 h，定時進入降塵測量階段。

進行降塵采集時，集塵艙內升降機構上的升降采集盤與集塵桶連接，集塵桶蓋自動打開，開始集塵。在集塵過程中，集塵桶艙門隨雨量傳感器進行關閉/開啟動作。集塵時間倒計時結束后，關閉集塵桶蓋，振動器動作，完成集塵流程。其中，在降塵采集流程結束前0.5 h左右，恒溫恒濕裝置啟動，為測量艙建立恒溫恒濕環境，從而作好降塵測量準備工作。

降塵采集流程結束后隨即進入降塵測量流程。首先，通過加熱盤進行降塵樣本除濕，在采集盤溫度達到150 ℃左右可判斷樣本已干燥完畢。然后，進行樣本冷卻。當采集盤溫度降至25 ℃左右即可通過移轉機構將其送入測量艙內。

采集盤在測量艙內首先完成樣本拍照上傳，隨后降至稱量位置，依據主控制單元指令進行稱重，連續進行稱重值發送。主控制單元提取多個稱量值中頻率最高的值作為本次稱重數據。采集盤隨后上升再落下稱重，連續完成3次稱量，在合理誤差范圍內的數據將上傳至信息平臺作為本次稱量值。若誤差較大則進行報警，隨即啟動電子天平程序。內校完成后，繼續進行稱量[9]。若數據仍不理想，將設備標記為故障狀態，要求維護。

降塵測量流程結束后，降塵監測儀自動進入采集流程。由此循環往復，并在工作過程中周期性上傳儀器工作信息、氣象信息等。

3.3 信息平臺及通信設計

信息平臺采用瀏覽器/服務器模式(browser/server,B/S)架構以及目前廣泛使用的模型-視圖-控制器(model-view-controller,MVC)設計模式[10]，以開源軟件或框架為基礎設計。平臺人機界面使用jquery easyui。后臺采用SpringMVC+mybatis的框架和技術。數據庫以Mysql為主。

信息平臺可以顯示各臺儀器的實時狀態，以及每次稱量的數據、照片等，并依據相關數據進行應用擴展，包括降塵月報分析、運維提醒、儀器健康度等。平臺主要功能包括用戶管理、設備管理、數據管理分析等。

信息平臺服務人群分為降塵監測方、儀器運維方和制造測試人員。降塵監測方權限只包含相應測點儀器的數據查看權限。儀器運維方除數據查看權限外，還包含儀器模式切換權限(常規循環工作-本底值稱量-運維)和儀器復位權限。制造測試人員擁有全部權限，包括儀器模式切換權限等。

信息平臺通過地理信息系統(geographic information system，GIS)實時顯示設備實際位置、運行狀態、健康程度，并對設備進行全生命周期管理，將故障信息推送給運維人員。

信息平臺對各地降塵數據進行歸類，按規范生成日、周、月報表，并在數據超標時適時提醒降塵監測方。

信息平臺與降塵檢測儀之間采用傳輸控制協議/國際協議(transmission control protocl/internet portocol,TCP/IP)方式通信，依據污染源在線自動監控(監測)系統數據，傳輸標準定義通信協議的數據結構。每臺儀器均擁有唯一的設備標志。所有通信包都由ASCII碼字符組成。每個包均由包頭、數據段長度、數據段、校驗碼和包尾組成。其中，數據段包括請求編號、系統編號、命令編號、訪問密碼和設備唯一標志[11]。通信包數據段結構如表1所示。

表1 通信包數據段結構

例如，監測儀上傳至平臺的含重量信息的通信包為##0184；QN=20190103164400049;ST=39;CN=2011;PW=123456;MN=008600212019010300000001;Flag=5;CP=&&StartTime=20190103043000;EndTime=20190113043000;a34011-Rtd=88.1783;a34011-day=23.6;a34011-Flag=N;&&C77B。其中：##0184為包頭；請求編號QN=20190103164400049為精確到毫秒的時間戳；系統編號ST=39為降塵污染源；CN=2011為自定義降塵數據上傳的命令編號，用于信息平臺識別解析，交互其他信息時改變CN的值即可；MN為唯一的設備編號，用于信息平臺識別信息來源；數據區包含CP的2個&&之間，其格式可根據需要自行定義；a34011-Rtd=88.1783為降塵量大小。

4 系統應用

降塵自動監測系統在上海市進行了試點應用，在市區多個降塵國控監測點位部署監測儀進行測試和驗證。

試點期間，系統運行穩定，每臺監測儀以1～2 d為周期進行采樣，形成各試點的降塵量數據。相比手工測量法只能產生月度數據，監測儀監測數據的時間分辨率大幅提升。試點期間總共獲取近3 000組數據。其中：異常低值和零值共17組；數據有效率為99.4%。信息平臺各類數據接收、存儲、分析均正常。實時監測儀器狀態，自動生成各點位的降塵趨勢圖表、月度報表等，大幅縮減了降塵監測的人力投入，實現了整體系統的設計目標。

5 結論

環境的監測和治理任重而道遠。現有的監測監管手段及標準需要全面升級。智能儀器、物聯網、信息平臺相融合的自動監測系統是未來發展的主要趨勢。降塵量自動監測系統有效解決了手工測量時樣本轉移損失大、工作量大和數據滯后等問題，實現了降塵量傳統的手工監測向全自動監測發展。未來，精準的降塵數據可以與大氣揚塵、可揮發有機物等數據一起形成更全面的大氣監測數據體系，為霧霾的預報及成因研究提供有力支持，助力城市環境的精細化管理。