基于傳感器技術的環境空氣質量監測系統設計

中圖分類號：X851；0659 文獻標識碼：A文章編號：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

隨著工業化進程的推進和市場經濟持續發展，環境空氣質量問題日益突出，已嚴重威脅到人類健康和社會可持續發展。因此，實時、準確監測環境空氣質量十分重要。為此，相關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測環境空氣中的有害氣體和重金屬，并設計一種空氣自動站監測系統，實現了環境空氣中的有害氣體和重金屬監測，并分析了環境空氣中的有害氣體和重金屬來源，提出了環境空氣治理的對策與建議；黃偉等2通過監測重慶地區環境空氣中PM污染物顆粒，對重慶地區環境空氣進行了監測與分析，認為污染物顆粒是影響重慶環境空氣質量的重要因素，并提出了建議與對策；阮夢婕等人通過利用溫濕度傳感器采集城市廣場不同空間尺度下的環境空氣溫濕度，并將其與環境因子的相關性進行分析，實現了環境空氣質量監測。基于上述研究可以發現，目前關于環境空氣質量監測主要有三類方法，且取得了優異的成績，但上述方法主要是針對京津冀等重點區域的環境空氣質量進行研究，而對市這一類華南區地級市的研究則是少量。作為珠三角核心城市，其工業排放污染的問題不容忽視。在2024年期間，該市工業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，有必要對該區域環境空氣質量進行監測。周澤義等4認為，現有監測方法在監測實時性和精度方面還有待提高。因此，為解決上述問題，本研究以市環境空氣質量監測為研究對象，設計了一套環境空氣質量監測系統，并通過利用氧化鋁陶瓷、導電銀漿、聚酰亞胺等原料，制備一種具有高靈敏性的溫濕度雙參數傳感器，以提高環境空氣質量監測系統的實時性和精度。

1試驗部分

1.1 試驗材料與設備

本系統中，傳感器采集的數據對環境空氣質量監測具有重要意義。為實現更精確的環境空氣質量監測，本文基于氧化鋁陶瓷、導電銀漿、聚酰亞胺等材料，制備溫濕度傳感器。試驗材料：氧化鋁陶瓷（HD100021-2，海德精密陶瓷）；導電銀漿（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）；高低溫試驗箱（TCGDW-3400B型，騰川儀器設備）；網絡分析儀（ZVL3型，信爾立測試設備）；測試天線（TS-EMF型，信爾立測試設備）；絲網印版（XTRA型，柯達）；旋涂儀（JW-A5型，君為科技）；高溫加熱箱（DHG-9245AE型，捷呈實驗儀器）；馬弗爐（SG-XL1700型，大恒光學精密機械）。

1.2 溫濕度傳感器制備

試驗分別采用方形平板式電容結構和普通方形叉指電極結構作為溫度、濕度傳感器結構，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傳感器[5-6]。具體制備流程如下：

（1）清洗。將基片和絲網印版分別使用酒精浸泡10min ，清洗去除基片和絲網印版表面雜物，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方形平板式電容結構，采用掩膜打印方式打印溫度傳感器結構，在基片背面根據普通方形叉指電極結構，采用掩膜打印方式打印濕度傳感器結構；（3）固定。將陶瓷基片正面固定在絲網印版上，然后將絲網印版固定在印刷工作臺；（4）印刷。攪拌導電銀漿并將其倒在絲網印版基片一側，使用刮板將銀漿充分覆蓋在基片上[910];（5）高溫固化。設置干燥箱溫度為 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。設置旋涂儀的轉速為 1500r 和 3000r ，分別旋涂15s和 30s_o 重復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，使用導線和獨立引腳進行連通，并使用粘接劑進行固定，即可得到用于測量溫濕度雙參數的傳感器[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）設定馬弗爐溫度為 550^°C ，對粉末進行煅燒，煅燒時間為 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）設置老化臺溫度為 220^qC ，并將傳感器放到老化臺老化48h[15-16]。

1.4傳感器測試方法

1.4.1 溫濕度傳感器測試方法

整個測試過程分為溫度傳感器測試和濕度傳感器測試兩部分。具體測試方法如下：

溫度傳感器測試時，固定高低溫實驗箱的相對濕度為 60%RH ，設置初始溫度為 10% ，并間隔 10^cC 提升溫度到 60^°C ，同時記錄其諧振峰和諧振頻率[17-18];

濕度傳感器測試時，固定高低溫實驗箱溫度為26°C ，設置初始相對濕度為 20% RH，并以 10%RH 為一個濕度點將相對濕度提升到 80% RH，然后記錄網絡分析儀測量的濕度傳感器諧振峰和諧振頻率。

1.4.2二氧化硫的測試方法

基于CSG-8智能氣敏分析系統，輸人不同濃度的二氧化硫，利用二氧化硫傳感器進行檢測，即可實現二氧化硫傳感器性能測試。

2 結果與分析

2.1溫度傳感器測試結果

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

由圖1可知，當環境相對濕度維持在 60% RH時，隨著溫度的提升，濕度諧振峰基本平穩，溫度諧振峰左移。由此說明，所制備的溫濕度雙參數傳感器的諧振頻率與溫度反向相關，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傳感器的溫度傳感器有效。

2.2 濕度傳感器測試結果

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，當環境溫度維持在 26^cC 不變時，隨著相對濕度的提升，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傳感器的濕度傳感器諧振頻率與環境濕度反向相關，環境濕度越大，濕度傳感器的諧振頻率越小，與預期結果一致。由此可確定，所制備的溫濕度雙參數傳感器的濕度傳感器有效。

2.3二氧化硫傳感器測試結果

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環境空氣質量監測國控站點分布圖 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，測量范圍為 200ppb～20ppm ；當二氧化硫濃度達到 20ppm 時，傳感器的靈敏度達到5Ra/Rg ，且靈敏度曲線趨于飽和，表明該傳感器具有優異的二氧化硫檢測靈敏度[19-20]。

2.4傳感器在空氣環境污染監測的應用

2.4.1 系統部署

為驗證所設計的環境空氣質量監測系統對環境空氣質量的監測效果，在市金灣區中法水務環境空氣站（市控）布點并將溫濕度雙參數傳感器部署在監測點上。然后將系統獲取的數據與國控站點數據進行對比。市國省控監測站點，如圖4所示。

2.4.2 采集結果

根據監測數據，市的空氣質量指數（AQI）呈現逐年下降趨勢，空氣中的主要污染物濃度，包括二氧化硫、二氧化氮 ?PM_2.5 ，大多數也表現出了降低的趨勢。2024年，細顆粒物 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。

這些數據的變化反映了市在環境保護和污染治理方面取得的成效。

2.4.3 采集結果討論

基于上述對市空氣環境的監測分析，研究發現市是一個環境優美的城市，除臭氧以外，其余指標均較低。本文以市環境空氣質量監測數據為基礎，通過分析2023～2024年時段的空氣污染物變化，發現市空氣污染物呈現整體下降趨勢，空氣質量得到不斷改善，說明采取環保措施卓有成效。為進一步提升市環境空氣質量，基于該系統的采集數據，提出以下幾點治理建議：區域加強污染性、污染性、污染性和污染性的聯防性。加強臭氧等污染物預測預警的能力，推進跨地區協同的應急聯動機制的構建。做好預報預警、巡查走訪等工作，在緊急情況下，加強對各行業的績效分級、差別化管控為市大氣環境治理“把脈問診”，持續改善環境監控空氣質量；加強多污染物的協同治理，實現區域協同的治理。突出重點地區、重點時段、重點領域、重點產業，實施重點治理項目，加大VOCs排放的力度，持續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；利用信息科技手段，構建環保法制執法平臺，并通過信息技術來解決有關的處理過程，從而提高各部門的協作能力，提升化工企業對環境保護法律的認識，必須是相關經營以及管理部門所重視的問題。

3結語

綜上所述，所設計的環境空氣質量監測系統，通過制備溫濕度傳感器和二氧化硫傳感器，并結合二氧化氮傳感器和 PM_2.5 傳感器，采集市環境空氣參數，實現了環境空氣監測。本系統所采集的市環境空氣質量與實際結果接近，且呈現出相同的變化趨勢，可滿足對環境空氣質量的監測需求，具有一定的實際應用價值。

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