道路施工扬尘监测系统设计

吴靖江 李昊 刘杰

摘 要：道路施工具有施工点多、线路长和环保质量要求高等特点。由于户外不可控环境因素较多，因此施工过程中极易产生扬尘。本文根据道路施工扬尘产生特点，结合GPRS无线通信技术以及单片机控制技术，设计出一套由扬尘采集设备、信息传输设备以及监测中心组成的道路施工扬尘监测系统。该系统采用激光扬尘传感器自动采集扬尘数据，利用无线传输网络实现数据传输，利用单片机对各点PM2.5和PM10数据进行监测和分析，不仅解决了道路施工过程中扬尘多点有线监测时数据统计烦琐的问题，而且实现了扬尘数据的存储功能，便于用户随时调出。

关键词：道路施工;扬尘;监测系统

中图分类号：X799.1文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）01-0022-03

Abstract： Road construction has the characteristics of many construction points， long lines and high environmental quality requirements. Due to many uncontrollable outdoor environmental factors， dust is easily generated in the construction process. According to the characteristics of road construction dust， combined with GPRS wireless communication technology and single chip microcomputer control technology， this paper designed a set of road construction dust monitoring system composed of dust collection equipment， information transmission equipment and monitoring center. The system uses laser dust sensor to automatically collect dust data， uses wireless transmission network to realize data transmission， and uses single chip microcomputer to monitor and analyze PM2.5 and PM10 data of each point. It not only solves the problem of data statistics in multi-point wired monitoring of dust during road construction， but also realizes the storage function of dust data， which is convenient for users to call out at any time.

Keywords： road construction;dust;monitoring system

随着我国城市化进程不断推进，道路施工建设数量呈上升趋势[1]。一般来说，道路施工具有施工点多、线路长、施工工期长、环保质量要求高等特点[2]，加之户外作业条件下不可控环境因素较多，在道路施工过程中极易产生扬尘。扬尘在风载下极易扩散，进而引起局部空气污染[3]。据统计，中国大部分城市的可吸入颗粒物PM10与细颗粒物PM2.5已成为我国大气污染的首要污染物，而这些大气颗粒污染物，有40%左右来自建筑施工，部分城市甚至达到了50%。大量扬尘颗粒不仅会对居民健康造成严重危害，而且会对可见度产生较大影响，降低通行效率，甚至造成交通事故。随着人们对环境保护的重视，建立道路施工扬尘監测系统成为重要工作。

1 道路施工扬尘监测系统的框架结构

道路施工扬尘监测系统框架主要由三部分组成，包括道路施工现场布设的扬尘数据采集设备、GPRS无线传输设备、监控中心数据接收和管理设备。系统的具体框架如图1所示。施工扬尘数据采集器是监测系统的前端，主要对施工环境因素（如风速、风向和温湿度）和扬尘信息（PM2.5和PM10）进行自动采集。与此同时，各个采集站点利用GPRS无线通信技术，将采集的数据传输到监控中心，监控中心对采集的数据进行实时监测和分析。如果施工场地某一站点扬尘超出预设的警戒值，系统会自动报警，以提醒监管部门对该施工点做降尘处理，实时保证环境安全[4]。另外，监控中心还可以保存任意时间段的扬尘数据，为扬尘分析、治理提供较为准确的对比数据。

1.1 扬尘数据采集设备

扬尘数据采集设备采用激光扬尘传感器。该传感器具有体积小、测试速度快、灵敏度高、稳定性好和无噪声污染等诸多优点，被广泛应用于空气质量监测系统中。其基本原理为（见图2）：半导体激光源发射出激光，激光通过透镜穿过观测区域后，观测区域内的扬尘粒子对激光产生散射作用，然后再采用散射光采集器收集散射光强，并通过电路进行波形调整，形成统计样本颗粒分布浓度，最后通过计算来反映空气中颗粒分布浓度，通过串口输出PM2.5和PM10的浓度值。激光扬尘传感器的参数见表1。

1.2 GPRS无线传输设备

GPRS无线传输设备主要针对工业级应用，是一款内嵌GSM/GPRS核心单元的无线Modem，以GSM/GPRS网络为传输媒介，是一款基于移动GPRS数据业务的工业级通信终端[5]。该设备主要利用GPRS业务为用户搭建了一个超远距离的数据传输平台，标准工业规格设计，提供RS485标准接口，直接与用户设备连接，设备参数如表2所示。

1.3 监控中心数据接收和管理设备

监控中心数据接收和管理采用单片机技术。单片机是一个集合了中央处理器、随机存储器、只读存储器、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等诸多功能于一体的微型计算机系统[6]，被广泛应用于工业控制领域。本系统采用单片机作为道路施工过程中扬尘监测系统的微控制单元（Microcontroller Unit，MCU），用于接收分析数据，发送指令。单片机结构如图3所示。

2 系统软件设计

运行平台采用Microsoft XP操作系统，采用组态软件对扬尘监测系统进行设计。该软件采用面向对象的方法，具有用户界面良好、扩展性能强、易维护等优点。

2.1 扬尘实时监测

通过监测系统软件，可实时接收从各个监测站点传回的扬尘监测数据。通过软件对数据进行解析，显示不同站点对应的PM2.5和PM10，显示界面如图4所示。数据更新时间可根据程序进行设定，最小更新时间为1 s。软件还可以根据需要设定扬尘阈值，当某一站点扬尘数据超出预先设定好的数值上限，监测系统会对监测人员发出信息警报，从而实现远程自动实时监测。

2.2 PM2.5和PM10实时变化

为了便于管理者观测不同施工道路站点处扬尘的历时变化，软件设计过程中，加入了扬尘实时变化曲线界面。管理者可通过该界面观测不同站点PM2.5和PM10实时变化情况，也可以通过历史数据查询，分析任意时间段内扬尘变化曲线，便于管理者掌握扬尘增大出现的时间点，结合该时间点施工现场出现的施工情况，间接分析出致使扬尘激增的原因，从而加强施工现场管理，避免类似情况的出现。

2.3 扬尘数据储存

通过单片机软件功能实时接收从监测点传回的扬尘监测信息，经过解析后存入采集系统中，系统对现场的扬尘监测数据进行分类整理，并进行进制转换，生成各种监测报表，存入系统数据庫中，以方便管理者进行查阅和导出。导出的数据采集时间间隔可由管理者自行设定，该系统可导出最小采集时间间隔为1 s的数据资料。

3 结语

近年来，随着我国城市化发展进程不断加快，空气颗粒污染物已成为影响城市空气质量最重要的因素之一。因此，减少扬尘污染，保护城市环境，已成为当今环保工作的主题之一。调查发现，工程施工扬尘是造成空气污染的罪魁祸首之一，而工程施工中的道路施工具有施工点多、线路长、施工工期长等特点，施工过程中空气污染不易监测，无法及时采取有效的抑尘措施，从而加剧了空气的污染。因此，在道路施工过程中，如果能实时监测施工现场的扬尘情况，针对扬尘出现的情况对症下药，就能有效防止扬尘超标，从而达到改善城市空气质量的目的。基于此，本文根据道路施工扬尘产生的特点，结合无线通信技术和单片机控制技术，设计出了由扬尘采集设备、信息传输设备以及监测中心组成的道路施工扬尘监测系统。

参考文献：

[1]李想.中国城市化的特点、问题与趋势[J].现代商业，2012（22）：93-94.

[2]屈晓明.红岛会展项目工期管理研究[D].青岛：青岛大学，2018：10.

[3]张莹.我国典型城市空气污染特征及其健康影响和预报研究[D].兰州：兰州大学，2016：5.

[4]郭玉明.风沙天气下建筑施工的扬尘监测系统设计研究[J].环境科学与管理，2018（10）：130-134，198.

[5]贾全明.GPRS无线通信与太阳能供电技术的应用[J].中国交通信息化，2010（8）：102-105.

[6]贺翔.基于单片机的分合闸回路保护方案[J].区域治理，2018（45）：173.