基于傳感器技術(shù)的環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：X851；0659 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2025）10-0167-04

Design of ambient air quality monitoring system based on sensor technology

ZHOU Guoqian1，HUANG Hewen1，WANG Richao1，ZHOU Zhenqiu2，LI Dawei ²

（1. Zhuhai Ecological Environment Technology Center，Zhuhai 519Oo1 Guangdong China; 2. Zhuhai Western Ecological Environment Monitoring Center，Zhuhai Guangdong China）

Abstract：To monitorand study the changes of ambient airqualityin Zhuhai City，anambientair quality monitoring system was designed based on high-sensitivity sensor technology.The systemuses STM32F103VET6 as the main control chip and RS485 communication as the communication protocol. By using temperature and humidity dual sensorsand sulfur dioxide sensors to analyzethe ambient air in Zhuhai，theambient air quality change monitoring in Zhuhai is realized.The testresults show that the system can sensitively perceive the change of ambient air temperatureand humidity，which is close tothe ambient air temperatureand humiditycollectedby the national controlsite，andcan transmitthecollctedtemperatureand humiditydatatotheclientinreal time，whichimproves the real-time andaccuracyof ambient air quality monitoring，and hascertainreliability，effectiveness and practical application value.

Key words： ambient air quality;monitoring system; temperature sensor; humidity sensor

隨著工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)和市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，環(huán)境空氣質(zhì)量問題日益突出，已嚴(yán)重威脅到人類健康和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。因此，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)環(huán)境空氣質(zhì)量十分重要。為此，相關(guān)人員開展了大量的研究，并取得了許多成果。如陳育華通過利用大容量空氣采樣器監(jiān)測(cè)環(huán)境空氣中的有害氣體和重金屬，并設(shè)計(jì)一種空氣自動(dòng)站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境空氣中的有害氣體和重金屬監(jiān)測(cè)，并分析了環(huán)境空氣中的有害氣體和重金屬來源，提出了環(huán)境空氣治理的對(duì)策與建議；黃偉等2通過監(jiān)測(cè)重慶地區(qū)環(huán)境空氣中PM污染物顆粒，對(duì)重慶地區(qū)環(huán)境空氣進(jìn)行了監(jiān)測(cè)與分析，認(rèn)為污染物顆粒是影響重慶環(huán)境空氣質(zhì)量的重要因素，并提出了建議與對(duì)策；阮夢(mèng)婕等人通過利用溫濕度傳感器采集城市廣場(chǎng)不同空間尺度下的環(huán)境空氣溫濕度，并將其與環(huán)境因子的相關(guān)性進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)。基于上述研究可以發(fā)現(xiàn)，目前關(guān)于環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)主要有三類方法，且取得了優(yōu)異的成績，但上述方法主要是針對(duì)京津冀等重點(diǎn)區(qū)域的環(huán)境空氣質(zhì)量進(jìn)行研究，而對(duì)市這一類華南區(qū)地級(jí)市的研究則是少量。作為珠三角核心城市，其工業(yè)排放污染的問題不容忽視。在2024年期間，該市工業(yè)源排放的二氧化硫和氮氧化物分別為 1.95×10⁶ 和 5.52×10⁶kg_? 因此，有必要對(duì)該區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。周澤義等4認(rèn)為，現(xiàn)有監(jiān)測(cè)方法在監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性和精度方面還有待提高。因此，為解決上述問題，本研究以市環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一套環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并通過利用氧化鋁陶瓷、導(dǎo)電銀漿、聚酰亞胺等原料，制備一種具有高靈敏性的溫濕度雙參數(shù)傳感器，以提高環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和精度。

1試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

本系統(tǒng)中，傳感器采集的數(shù)據(jù)對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)具有重要意義。為實(shí)現(xiàn)更精確的環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)，本文基于氧化鋁陶瓷、導(dǎo)電銀漿、聚酰亞胺等材料，制備溫濕度傳感器。試驗(yàn)材料：氧化鋁陶瓷（HD100021-2，海德精密陶瓷）；導(dǎo)電銀漿（固含量66% ，騰輝科技）；聚酰亞胺溶液（固含量 20% ，常豐新材料）；酒精（含量 99.99% ，中升錦鴻化工）；氯金酸（含量 99.99% ，博思特化工）；二氧化硅（AEROSILR972，賀高保溫材料）。

干燥箱（TF841型，同豐烘箱電爐）；高低溫試驗(yàn)箱（TCGDW-3400B型，騰川儀器設(shè)備）；網(wǎng)絡(luò)分析儀（ZVL3型，信爾立測(cè)試設(shè)備）；測(cè)試天線（TS-EMF型，信爾立測(cè)試設(shè)備）；絲網(wǎng)印版（XTRA型，柯達(dá)）；旋涂儀（JW-A5型，君為科技）；高溫加熱箱（DHG-9245AE型，捷呈實(shí)驗(yàn)儀器）；馬弗爐（SG-XL1700型，大恒光學(xué)精密機(jī)械）。

1.2 溫濕度傳感器制備

試驗(yàn)分別采用方形平板式電容結(jié)構(gòu)和普通方形叉指電極結(jié)構(gòu)作為溫度、濕度傳感器結(jié)構(gòu)，并通過在同一氧化鋁陶瓷基片上下層制備溫度傳感器和濕度傳感器，以得到溫濕度雙參數(shù)傳感器[5-6]。具體制備流程如下：

（1）清洗。將基片和絲網(wǎng)印版分別使用酒精浸泡10min ，清洗去除基片和絲網(wǎng)印版表面雜物，并在100^qC 干燥箱中烘干 5min^[7-8] ：（2）掩膜打印。在清洗干燥后的基片正面根據(jù)方形平板式電容結(jié)構(gòu)，采用掩膜打印方式打印溫度傳感器結(jié)構(gòu)，在基片背面根據(jù)普通方形叉指電極結(jié)構(gòu)，采用掩膜打印方式打印濕度傳感器結(jié)構(gòu)；（3）固定。將陶瓷基片正面固定在絲網(wǎng)印版上，然后將絲網(wǎng)印版固定在印刷工作臺(tái)；（4）印刷。攪拌導(dǎo)電銀漿并將其倒在絲網(wǎng)印版基片一側(cè)，使用刮板將銀漿充分覆蓋在基片上[910];（5）高溫固化。設(shè)置干燥箱溫度為 100^qC ，將印刷后的基片放入干燥箱中烘干 2h ，取出在自然環(huán)境下冷卻到室溫，即可得到含溫度傳感器的基片；（6）聚酰亞胺溶液配置。將固含量為 20% 的聚酰亞胺溶液配置稀釋成 12% 的溶液備用；（7）聚酰亞胺薄膜旋涂。將步驟（5）得到的基片背面固定，并將稀釋后的聚酰亞胺溶液滴在基片上，放入旋涂儀。設(shè)置旋涂儀的轉(zhuǎn)速為 1500r 和 3000r ，分別旋涂15s和 30s_o 重復(fù)3次，得到均勻聚酰亞胺薄膜的基片；（8）高溫固化。將得到的基片放人高溫加熱箱中，設(shè)置初始溫度為 80^qC ，并以 5^qC/min 的速度升高溫度至 200^c 。最后在自然環(huán)境下冷卻到室溫，則可得到背面含濕度傳感器的基片[11-12]；（9）電路聯(lián)通。將正面含有溫度傳感器和背面含有濕度傳感器的基片，使用導(dǎo)線和獨(dú)立引腳進(jìn)行連通，并使用粘接劑進(jìn)行固定，即可得到用于測(cè)量溫濕度雙參數(shù)的傳感器[13-14]。

1.3二氧化硫傳感器的制備

（1）稱取 0.015g 的氯金酸，加入 0.985g 的二氧化硅中，并研磨成粉末；（2）設(shè)定馬弗爐溫度為 550^°C ，對(duì)粉末進(jìn)行煅燒，煅燒時(shí)間為 30min （3）將煅燒后的混合物焊接在六角底座上，制備成傳感器；（4）設(shè)置老化臺(tái)溫度為 220^qC ，并將傳感器放到老化臺(tái)老化48h[15-16]。

1.4傳感器測(cè)試方法

1.4.1 溫濕度傳感器測(cè)試方法

整個(gè)測(cè)試過程分為溫度傳感器測(cè)試和濕度傳感器測(cè)試兩部分。具體測(cè)試方法如下：

溫度傳感器測(cè)試時(shí)，固定高低溫實(shí)驗(yàn)箱的相對(duì)濕度為 60%RH ，設(shè)置初始溫度為 10% ，并間隔 10^cC 提升溫度到 60^°C ，同時(shí)記錄其諧振峰和諧振頻率[17-18];

濕度傳感器測(cè)試時(shí)，固定高低溫實(shí)驗(yàn)箱溫度為26°C ，設(shè)置初始相對(duì)濕度為 20% RH，并以 10%RH 為一個(gè)濕度點(diǎn)將相對(duì)濕度提升到 80% RH，然后記錄網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量的濕度傳感器諧振峰和諧振頻率。

1.4.2二氧化硫的測(cè)試方法

基于CSG-8智能氣敏分析系統(tǒng)，輸人不同濃度的二氧化硫，利用二氧化硫傳感器進(jìn)行檢測(cè)，即可實(shí)現(xiàn)二氧化硫傳感器性能測(cè)試。

2 結(jié)果與分析

2.1溫度傳感器測(cè)試結(jié)果

所制備的溫濕度傳感器在相對(duì)濕度為 60% RH時(shí)，傳感器頻率相位隨溫度變化曲線如圖1所示。

由圖1可知，當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度維持在 60% RH時(shí)，隨著溫度的提升，濕度諧振峰基本平穩(wěn)，溫度諧振峰左移。由此說明，所制備的溫濕度雙參數(shù)傳感器的諧振頻率與溫度反向相關(guān)，即溫度越高，溫度傳感器的諧振頻率越小。因此可確定，所制備的溫濕度雙參數(shù)傳感器的溫度傳感器有效。

2.2 濕度傳感器測(cè)試結(jié)果

所制備的溫濕度傳感器在溫度為 26°C 條件下，傳感器頻率相位隨濕度變化曲線如圖2所示。

由圖2可知，當(dāng)環(huán)境溫度維持在 26^cC 不變時(shí)，隨著相對(duì)濕度的提升，傳感器濕度的諧振峰值逐漸左移，說明所制備的溫濕度雙參數(shù)傳感器的濕度傳感器諧振頻率與環(huán)境濕度反向相關(guān)，環(huán)境濕度越大，濕度傳感器的諧振頻率越小，與預(yù)期結(jié)果一致。由此可確定，所制備的溫濕度雙參數(shù)傳感器的濕度傳感器有效。

2.3二氧化硫傳感器測(cè)試結(jié)果

二氧化硫傳感器在不同濃度二氧化硫條件下的靈敏度變化曲線如圖3所示。

圖4環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)國控站點(diǎn)分布圖 Fig.4Ambient air qualitymonitoringstate-controlled site distribution map

由圖3可知，隨著二氧化硫濃度的升高，傳感器的靈敏度快速上升，測(cè)量范圍為 200ppb～20ppm ；當(dāng)二氧化硫濃度達(dá)到 20ppm 時(shí)，傳感器的靈敏度達(dá)到5Ra/Rg ，且靈敏度曲線趨于飽和，表明該傳感器具有優(yōu)異的二氧化硫檢測(cè)靈敏度[19-20]。

2.4傳感器在空氣環(huán)境污染監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

2.4.1 系統(tǒng)部署

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)效果，在市金灣區(qū)中法水務(wù)環(huán)境空氣站（市控）布點(diǎn)并將溫濕度雙參數(shù)傳感器部署在監(jiān)測(cè)點(diǎn)上。然后將系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)與國控站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。市國省控監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，如圖4所示。

2.4.2 采集結(jié)果

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，市的空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）呈現(xiàn)逐年下降趨勢(shì)，空氣中的主要污染物濃度，包括二氧化硫、二氧化氮 ?PM_2.5 ，大多數(shù)也表現(xiàn)出了降低的趨勢(shì)。2024年，細(xì)顆粒物 年平均濃度為 19μg/m³ 與上年相比，上升 5.6% ；臭氧（ O₃ ）日最大 8h 均值第90百分位數(shù)年平均濃度和二氧化氮（ NO₂ ）年平均濃度分別為146和 18μg/m³ ，與上年相比，分別下降3.9% 和 5.3% ；二氧化硫（ SO₂ ）平均濃度、一氧化碳（CO）日均值第95百分位數(shù)年平均濃度和可吸入顆粒物 （PM₁₀） 年平均濃度分別為6、0.7和 33μg/m³ ，與上年相比，均持平；如圖5所示。

這些數(shù)據(jù)的變化反映了市在環(huán)境保護(hù)和污染治理方面取得的成效。

2.4.3 采集結(jié)果討論

基于上述對(duì)市空氣環(huán)境的監(jiān)測(cè)分析，研究發(fā)現(xiàn)市是一個(gè)環(huán)境優(yōu)美的城市，除臭氧以外，其余指標(biāo)均較低。本文以市環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過分析2023～2024年時(shí)段的空氣污染物變化，發(fā)現(xiàn)市空氣污染物呈現(xiàn)整體下降趨勢(shì)，空氣質(zhì)量得到不斷改善，說明采取環(huán)保措施卓有成效。為進(jìn)一步提升市環(huán)境空氣質(zhì)量，基于該系統(tǒng)的采集數(shù)據(jù)，提出以下幾點(diǎn)治理建議：區(qū)域加強(qiáng)污染性、污染性、污染性和污染性的聯(lián)防性。加強(qiáng)臭氧等污染物預(yù)測(cè)預(yù)警的能力，推進(jìn)跨地區(qū)協(xié)同的應(yīng)急聯(lián)動(dòng)機(jī)制的構(gòu)建。做好預(yù)報(bào)預(yù)警、巡查走訪等工作，在緊急情況下，加強(qiáng)對(duì)各行業(yè)的績效分級(jí)、差別化管控為市大氣環(huán)境治理“把脈問診”，持續(xù)改善環(huán)境監(jiān)控空氣質(zhì)量；加強(qiáng)多污染物的協(xié)同治理，實(shí)現(xiàn)區(qū)域協(xié)同的治理。突出重點(diǎn)地區(qū)、重點(diǎn)時(shí)段、重點(diǎn)領(lǐng)域、重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)，實(shí)施重點(diǎn)治理項(xiàng)目，加大VOCs排放的力度，持續(xù)開展秋冬季綜合整治工作。臭氧等大氣污染物的有效減排是未來5～10a研究的重點(diǎn)；利用信息科技手段，構(gòu)建環(huán)保法制執(zhí)法平臺(tái)，并通過信息技術(shù)來解決有關(guān)的處理過程，從而提高各部門的協(xié)作能力，提升化工企業(yè)對(duì)環(huán)境保護(hù)法律的認(rèn)識(shí)，必須是相關(guān)經(jīng)營以及管理部門所重視的問題。

3結(jié)語

綜上所述，所設(shè)計(jì)的環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過制備溫濕度傳感器和二氧化硫傳感器，并結(jié)合二氧化氮傳感器和 PM_2.5 傳感器，采集市環(huán)境空氣參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境空氣監(jiān)測(cè)。本系統(tǒng)所采集的市環(huán)境空氣質(zhì)量與實(shí)際結(jié)果接近，且呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，可滿足對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)需求，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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