基于GNSS的空间PM2.5检测系统设计及应用

张健珲,杨国林,邵明， 安旭伟,张波,

（１．兰州交通大学测绘与地理信息学院，甘肃兰州730070；2．甘肃省地理国情监测工程实验室，甘肃兰州730070；3．河南科技学院信息工程学院，河南新乡453000）

0 引 言

PM2．5浓度是人们非常关注的空气质量指标之一．PM2．5又称细颗粒，是指空气中空气动力学当量直径小于等于2．5μｍ 的颗粒物[1－3]，一般含有大 量的有毒、有害物质，加上它在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对大气空气质量和人体健康的影响都非常大。国内外学者对ＰＭ２．５的产生、空间分布和抑制消除方法都进行了许多研究，并取得 了一定的成果[4-5]．

针对PM2．5空气污染物空间检测难度大、传统检测灵活性低等缺点，提出了基于GNSS的空间PM2．5检测系统，系统包括主控、PM2．5传感器、GNSS 定位模块、电源模块、数据记录模块、4G网络模块等部分。该系统不仅能实现PM2.5浓度的移动检测，而且能够将浓度信息与空间位置信息进行匹配，拓展了空气质量监测的作业空间，提高了作业 方式的灵活性，能应用于空气质量空间分布的动态分析、实时道路空气情况预报和消防救灾等领域[6-7]．

1 系统工作原理及实现

本系统以单片机为核心，结合传感器、网络通信和计算机等技术[8-9]，完成了PM2.5浓度检测、位置信息提取和数据匹配等工作，最后利用4G网络 模块和记录模块对数据进行发送和存储，为后续数据分析及处理提供了条件．

1.1 系统工作流程

本系统的工作流程为：接通电源，系统的各部分完成初始化配置后，PM2．5传感器及GNNSS定位模块同时开始工作，它们不断地将检测到的颗粒物浓度和定位的原始信息发送给单片机主控；主控调整内部工作次序进行数据的接收和处理，处理过程包括解析、匹配和发送等步骤；最后将处理后的数据利用4G网络模块进行上传，或者利用数据记录模块进行保存，从而完成对空间特定点PM2.5浓度 的检测和记录．

1.2 系统总体结构

本系统由主控、PM2．5传感器、GNSS定位模块、电源模块、数据记录模块、4G网络模块等部分组成．其中数据记录模块和4G网络模块都支持数据透明传输，可以根据需要选择其中的一个或者两 个，系统的总体结构如图1所示．

图1 系统总体结构图

1.3 主控模块电路设计

根据需求优选出了较为经济合理的方案，选用的单片机主控为STC12C5A60S2，它是8051家族的成员，具有高速、低功耗、性能稳定、超强抗干扰等优点，完全适合工业级别的指令集以及输出管脚分布．另外它有两个串行端口，能够满足本系统设计的需求[10-11]．

最小系统是单片机保持正常工作的简单电路．本设计的最小系统电路包含电源电路、复位电路、时钟电路和UBS下载电路等四个部分，其中电源电路、复位电路、时钟电路是保证单片机正常工作 最基本的电路，本设计最小系统如图2所示．

1）电源电路．单片机的VCC引脚和GND引脚分别连接直流电源的正极和负极，通过在两电源引脚之间连接电容的方式来抑制杂波串扰，确保电路的稳定．

2）时钟电路．晶振频率决定着单片机的工作频率，STC12C5A60S2单片机的工作频率在2～3ＭＨｚ范围，一般选取11.0592MHｚ．

3）复位电路．可通过按复位按钮的方法使单片机进行快速复位．

4）USB下载电路．利用USB／TTL工具连接UART 接口，通过ISP下载方式来实现单片机程序的烧写．

图２ 最小系统图

1．4 GNSS定位模块和PM2.5传感器电路设计

GNSS定位模块支持北斗、GPS和GLONASS等多模卫星系统[12-13]，同时带有SMA和IPEX两种天线接口，方便用户选择需要的外置天线．模块采用3.3～5V供电，可掉电记忆波特率和帧数据等设置信息．模块有定位导航、内置天线检测及天线短路保护等功能．另外模块具有PPS授时输出引脚，可以做时钟同步等应用．GNSS定位模块应用电路如图3所示．

PM2.5传感器采用激光散射原理[14-15]对PM2．5及OM10的浓度进行检测，检测结果以十六进制数据报文的形式通过串口发送给单片机主控，报文包62 全 球 定 位 系 统第43卷 括报文头、指令号、PM2.5高低字节、PM10高低字节、传感器ID、校验和、报文尾等部分．假设PM2.5和PM10的高字节对应的十进制数值分别为X和V，低字节分别为Y 和W，通过式（1）、式（2）可以分别计算出PM2．5和PM10的浓度值E和F，单位为μｇ／ｍ3．

E=［[(X×256)+Y］／10

（1）

F=[(V×256）+W ]／10．

（2）

过程不发生失真，其应用电路如图３所示（注：GNSS定位模块和PM2.5传感器电路放在同一个图中）

图3 GNSS定位模块和PM2.5传感器电路图

1.5 4G网络模块和数据记录模块电路设计

根据应用场景可以选择4G网络模块或者是数据记录模块，4G网络模块和数据记录模块都支持数据透明传输．数据记录模块将串口送来的数据以txt文件形式存储于模块上的SD卡中，在连接USB端口时该模块仿真成U盘，可直接读取文件，也可将SD卡卸下由读卡器读出文件．4G网络模块配合SIM流量卡使用，支持多种LTE频段，向下兼容4G和2G网络，通过移动网络将数据以特定的形式发送到指定网络端口[16]．应用电路如图4所示（注：4G网络模块和数据记录模块电路放在同一个图中）．

图4 4G网络模块和数据记录模块电路图

1.6 系统软件设计

主程序调用各个子程序的C语言文件中定义的函数，实现PM2．5传感器和GNSS定位模块的初始化、数据处理匹配、发送等操作，最后将处理完成的数据交由数据记录模块存储或者由4G 网络模 块上传，主程序流程如图5所示．（中断服务是数据解析中的独立步骤，不需要连接）

图5 系统主程序流程图

2 性能测试

经过电路板的设计、制作、焊接和检查后，接通电源，测试各器件的基本电气特性．测试包括以下三步：

1）在单片机STC12C5A60S2中依次写入单个模块的测试程序，测试各软件及对应硬件的工作性能，然后对完整的系统性能进行测试，试验获得的 部分数据如表1所示．

2）通过沿着固定直线缓慢移动的方式对系统的定位精度进行测试，测试结果如图6所示。图中直线为实际移动轨迹，点是实际系统定位的结果，坐标轴以秒为单位．

图6 定位精度测试

3）在实验室环境中对本系统PM2.5检测的精度进行测试，首先获得多组空气样本，然后将同一样本分为两份，分别利用重量法和本系统多次测得其PM2.5及PM10的含量值，最后将多组测试结果 进行对比．经统计其误差为±10μｇ／ｍ3．

经测试，本系统基本电气特性及性能指标如表2所示．

表1 数据示例

表2 基本电气特性及性能测试结果

3 实际应用案例

基于GNSS的PM2.5空间检测系统克服了传统空气质量检测的空间范围小、作业方式单一和灵活性低等缺点，应用领域包括但不限于以下三个方面：

１）构建PM2.5空间分布模型．在系统设计中选64 全 球 定 位 系 统第43卷取数据记录模块，利用无人机搭载该系统进行空间颗粒物浓度的检测，以道路为中心选取某一区域进 行研究．区域的长和宽分别100ｍ和60ｍ，以道路中心线为横轴，以垂直于道路为纵轴，无人机飞行的起始点为横轴0，纵轴－30坐标处，单位为ｍ．经过航线规划、数据采集、坐标转换等步骤，建立的PM2.5短时分布模型如图7所示，图中PM2.5浓度单位为μｇ／ｍ3．

2）道路实时空气状况图．在系统设计中选取4G网络模块，利用公共交通设备搭载该系统进行道路实时颗粒物浓度的检测．选取某区域为研究对象，经过数据采集、数据处理分析、图形绘制等，建立的道路实时空气状况如图8所示．

3）消防救灾．本系统具有体积小、重量轻、工作稳定灵活等优点，可安装在无人机、公共交通和消防机械等设备上，从而可以应用于突发空气质量事件应急及消防等领域．

图7 PM2.5浓度分布图

图8 道路实时空气状况图

4 结束语

现代社会，人们对美好生活的向往越来越强烈，对生活环境的关注度也越来越高．本系统以单片机为核心，结合传感器、计算机和网络技术，实现了基于GNSS的空间PM2.5Ｐ检测系统设计．带有位 置信息的PM2.5浓度数据能够在特定工作环境中发挥重要作用．本系统大大拓展了传统空气监测的范围和灵活性，在PM2.5时空分布发展研究、道路实时空气状况监测和消防救灾等领域有广阔的应用前景．