分布式数据采集系统在小范围雾霾检测中的应用

陈 松， 董晓莹

分布式数据采集系统在小范围雾霾检测中的应用

陈 松， 董晓莹

（辽东学院信息工程学院，辽宁 丹东 118003）

为解决温度和空气湿度对测试结果引起误差问题、传感器测试精度不稳定问题，以及目前城市小范围雾霾检测设备的普及不足问题，对目前国内外PM2.5检测采用的手段、方法和设备进行了比较，设计了一款基于民用级的数据采集传感器，使用GPRS无线数据传输，选择STC15F2K08S2-SOP28型单片机作为硬件平台的处理器，通过实际应用反馈，系统满足功能要求，既能通过手机APP实时了解小范围内的PM值，又能和现有的环保部门监测数据形成互补。

雾霾；PM值；传感器

随着我国现代化进程的不断深入，环境问题逐渐影响到了每个中国人。近些年来雾霾几乎覆盖了我国的大部分城市。我国的绝大多数城市也都设立了雾霾检测机构，并每天发布空气质量预报。但是雾霾在城市里不是均匀分布的，闹市区、交通干道、居民小区、公园的PM值不会相同，甚至会有较大差距。群众对居住地和生活周围地区的空气质量情况越来越关心。

进口一套雾霾检测设备大约需要10多万美金，国产设备价格也是几十万人民币不等。要想在城市各个区域都能部署监测站点，需要的资金投入是很高的。因此，有必要开发功能可靠、实用价廉的雾霾检测系统，既能方便了解小范围内的PM值，又能和现有的环保部门监测数据形成互补，对改善环境有参考意义。

开发廉价实用的小范围定点区域PM2.5监测系统与环保部门监测站点的监测方式互相合作，不但能满足公众对环境认知的要求，而且也降低政府成本投入，拥有广阔的市场前景。

目前主流的PM值监测技术主要有三种方法：称重法、微量振荡天平法和β射线法［1］。经世界各国的权威检测机构及第三方监测机构的测试，这三种方法中，微量振荡天平技术与标准重量法数据的相关性最佳［2］。当然，采用这些技术对相关设备的要求也高，价格不菲。

为了降低成本，普及PM2.5，让公众能随时随地了解空气质量，文章研究了一款适用于小范围雾霾检测的分布式数据采集系统，监测技术是利用红外光散射法以及处理模块来测定大气颗粒物浓度，测定速度较快，操作也简单。

系统将移动互联网GPRS、GPS定位、PM数据采集等技术集成起来，用于城市PM大数据的实时采集。增加城市中轻便型民用PM数据采集装置的安装数量，提高PM数值的采集密度，将实时采集到的数据通过移动互联网上传到服务器上。再通过APP、WEB等技术手段分享出去，供人们出行参考，或用于城市雾霾的实时精确监控。

1 系统架构

系统包括：数据采集平台、数据监测处理平台和监测应用平台3部分。

数据采集前端设备负责采集PM2.5和PM10的浓度数据，然后通过GPRS网络传送数据到数据接收服务器上进行数据初步处理，再经过数据立方系统，进行存储和计算，最后由WEB服务器进行数据的最后处理和公布，用户可通过手机APP软件或者电脑网页随时查询指定地区PM数值（见图1）。

图1 系统总体架构图

1.1 数据采集部分

数据采集部分包括采集前端设备、通信设备和电源。

前端设备采用先进的传感器、低功耗单片机技术与网络通讯技术相结合，使用探头来进行采集相关的数据，通过光散射获取颗粒浓度。通信主要是通过GPRS进行数据的无线传输。每个前端设备都有一个SIM卡进行通信，SIM卡使用GPRS业务。供电是锂电池和市电互补的供电方式（见图 2）。

图2 为前端设备实物图

1.2 数据监测处理平台部分

数据监测处理平台是介于采集平台和应用平台之间的系统，从架构来看，包括实时数据存储、过期数据处理、数据分析等功能模块。PM2.5数据全部存储在监测平台的分布式文件系统中，部分为方便查询存储于关系数据库中。

1.3 监测应用平台部分

监测应用平台部分包括监控PM2.5实时数据、数据查询等功能模块。如果监控范围比较大，数据量就会很大，就需要多台服务器并行处理。

2 系统实现

2.1 PM数据采集终端硬件系统

由于硬件平台需要同时连接PM传感器和GPRS通讯模块，因此选择STC15F2K08S2-SOP28型单片机作为硬件平台的处理器，该处理器具有两个串口可以同时连接两个串口设备。供电系统采用5 V/2 A的电源适配器，为单片机主板和PM传感器供电。由于GPRS通讯模块工作在3.3 V电压下，因此这里采用LM1117电源变换芯片作为GPRS通讯模块的供电芯片，LM1117将系统的5 V电源变换为3.3 V输送给GPRS通讯模块工作。为方便巡查设置了三个工作指示灯，一个是电源指示红色，灯亮代表系统供电正常处于工作中；一个是采集指示灯绿色，当主机收到PM传感器输送的PM数值时，该指示灯点亮；一个是数据发送指示灯绿色，当主机板向GPRS通讯模块发送数据时，该指示灯点亮；工作流程：工作时，PM传感器每1.5 s左右向主机发送PM数据（采集指示灯点亮），主机板对该数据进行加权平均计算，当累计到一分钟时，主机板向GPRS通讯模块发送数据，数据包括PM2.5和PM10的一分钟内平均值以及本机所在经纬度数据（此时数据发送指示灯点亮），GPRS通讯模块会将数据通过互联网发送给预设的服务器IP地址和端口。PM数据采集终端主机图（见图3）。

2.2 传感器数据采样原理

系统对空气中颗粒数据浓度的采集主要是通过传感器。该传感器利用PWM脉冲宽度调制输出，计算与粒子计算器原理相同，检测单位体积上颗粒的个数。传感器的原理结构。（见图4）

图4 传感器的原理结构图

传感器内置加热器，能够自动吸入空气，发射的光线遇到空气中的颗粒会产生反射光，颗粒大小不同光的强度不同，利用光和透镜的原理，传感器可检测到光的强度，然后输出信号，将光的强度信号转换为两个不同的脉宽调制信号PWM，以区分不同灰尘颗粒物的浓度。

2.3 采样数据的计算

当带有灰尘的空气穿过检测通道时，粉尘对光反射，光反射强度与灰尘浓度成正比。传感器把光的强弱信号转换成电的脉宽调制信号（PWM），通过获取低电平的占空比，获取到相关参数，得出颗粒物的等效粒径及单位体积内不同粒径的颗粒物数量［3］。

PM2.5指的是空气中空气动力学当量直径小于等于2.5μm的颗粒物，而直径大于2.5小于10 μm的颗粒值称为PM10［4］。

这样，就需要采集传感器两个通道的值，一个通道采样1μm以上的粒子的值（PM1），另外一个通道采样检测2.5μm以上的粒子的值（PM2），那么最终的采样值PML=PM1-PM2，这就是PM2.5的计算，同样，PM10的计算就是用大于2.5μm的粒子值减去大于10μm的粒子值。

3 数据统计分析

系统中，通过PM2.5监测平台这个模块对采集到的数据进行实时入库存储，并能够完成数据的查询分析。采集到的数据，海量数据存储在监测平台的分布式文件系统中，部分数据因为需要存储于关系数据库中。用户通过电脑终端或手机APP进行查询时，监测平台首先对前端设备采集到的数据进行解析，得到需要查询的信息后，把需要的信息封装成与数据库端相合的协议，再调用数据库提供的接口对后台数据库进行查询。数据库端查询完毕后将二进制形式的结果存放在指定文件中。接口服务器收到信号，读取文件，并将结果封装成字符串发送到前台界面显示。图5为电脑终端显示的某时段查询提供的PM各项数据以及通过分析给出相关提示，如首要污染物、对健康影响情况和建议采取的措施等。图6为用户用手机APP查询到的本地24小时空气质量指数趋势图。

图5 PM2.5及空气质量指数（AQI）

图6 丹东24小时空气质量指数趋势图

本系统的雾霾监测平台，可以集成PM2.5、PM10、温度、湿度等多项指标，数据可实时同步到手机和电脑端，测试数据准确而稳定。图7所示为一些时段本系统发布的数据和环保部门发布数据的比较折线图，数据差别并不明显。

图7 实时PM2.5数据比较

4 结语

系统PM数据采集终端安装时，应合理选择安装位置，应考虑人们群众居住、活动或者交通干道等区域。设备安装位置应该距离地面1～2 m左右，应保持设备周围通风顺畅，应保障设备有持续稳定的市电供应。服务器应持续高效稳定，具有足够多的硬盘空间（每个终端一天约产生60K的数据量），并做定期数据清理。一个城市安装的PM数据采集终端达到一定密度后，将会形成一个全市的PM数据采集网，可以实时地向群众提供在线的空气PM值的发布和出行建议服务。同时该数据还可以供环保、交通等部门参考使用。

数据采集终端经过扩展还可以加装温度、湿度数据传感器，同样可以将一个地点的实时温度和湿度数据信息发送到服务器进行发布，这样系统将可以向用户提供更多更准确的地域性相关的空气质量和温、湿度数据了。

［1］郝吉明.中国大气PM2.5污染防治策略与技术途径［M］.北京：科学出版社，2016.

［2］杜世勇.PM2.5监测方法与应用 ［M］.北京：科学出版社，2017.

［3］李振华等分布式无线数据采集系统的实现方法 ［J］.自动化仪表，2010（5）：1.

［4］陶卓.基于DSM501传感器的大气颗粒物浓度监测装置参数整定 ［J］.计算机测量与控制，2015，23（4）:1.

Application of distributed data collection system in small area smog testing

CHEN Song，DONG Xiao-Ying
（School of Information Engineering，Eastern Liaoning University，Dandong 118003，China）

To reduce the error caused by temperature and air humidity,stabilize the measuring accuracy of the sensor and popularize the smog testing device for small area,a civilian-use data collection sensor was designed.The STC15F2K08S2-SOP28 single-chip processor was used as the processor of the hardware platform.The data was transmitted by GPRS.The practical results show that,with this sensor,the real-time PM data in a small area can be obtained with an APPand they can complement the detection data acquired by the existing environmental protection departments.

smog；PM data；sensor

TP 303；G 624.0

A

1673-4939（2017）04-0267-04

10.14168/j.issn.1673-4939.2017.04.09

2017-07-04

陈 松（1968—），女，辽宁丹东人，硕士，教授，研究方向：计算机应用与教学。

（责任编辑：龙海波）