城市微环境空气质量监测系统设计

王 青，范祥祥，徐永健，薛鸿霏

（湖州师范学院 信息工程学院，浙江 湖州 313000）

0 引 言

改革开放以来，我国工业化发展加快的同时也引发了一系列环境问题。近年来，国家出台了许多针对性措施，极大改善了环境状况。但是目前我国环境依然面临一些严峻挑战。根据中华人民共和国生态环境部2018年发布的《2018中国生态环境状况公报》，有217个城市环境空气质量超标，338个城市重度污染达到1 899天次，严重污染甚至达到822天次[1]。发展城市空气微环境监测系统，追溯空气污染源以改善城市整体空气质量是必要的举措。

本文将介绍一种空气质量监测系统，该系统包括监测节点、服务器以及Web终端。监测节点可实现主要空气污染数据的采集并实时上传。此外，该节点还具备定位功能以满足节点随机布置的需求。服务器接收并存储节点数据，利用数据构建微环境空气质量云图。通过Web终端查询可及时发现空气污染的热点，预测污染物扩散趋势。

1 总体设计

系统架构如图1所示。为实现目标环境空气质量的监测，在待监测区域内合理布置多个传感器节点，以定时读取传感器数据并将数据整合后打包发送。打包数据经基站传至服务器，服务器将数据写入数据库中，并完成数据分析和云图构建。用户通过终端设置相应参数从服务器调阅云图数据。

图1 系统架构

2 硬件电路设计

城市空气质量监测系统电路原理如图2所示。系统主要由电源模块、微处理器、空气质量传感器模块和通信定位模块组成。监测节点可将采集到的污染物浓度以及地理位置数据通过无线通信传送到监测中心服务器。

图2 监测节点硬件电路设计原理

2.1 传感器模块

为实现有害气体和粉尘这两类空气主要污染物的检测，选用半导体气体传感器和激光传感器作为主要感知元件。

空气质量评价的主要污染气体包括SO2、NO2、O3和CO。半导体气体传感器的制造工艺成熟，便于器件集成化，且性能稳定、价格便宜，可以极大地降低成本[2]。本系统选择MQ-7型传感器（检测范围1～1 000 ppm）检测CO，选用MICS-4514型传感器（检测范围0.5～10 ppm）检测NO2，选用MQ-131型传感器（检测范围0.05～10 ppm）检测O3，选用2SH12型传感器（检测范围5～100 ppm）检测SO2。气体传感器模块对环境中的特定气体比较敏感，模块数字量输出DOUT与单片机相连，通过单片机检测高低电平，通过单片机自带A/D进行模/数转换，以获得精准的环境气体浓度数值。

粉尘监测主要针对PM2.5和PM10。激光传感器具有速度快、精度高、量程大以及抗干扰能力强等优点[3]。本文选用PMS7003型激光传感器（测量范围0～500 μg/m3），该传感器可实现对PM2.5和PM10的同时测量。芯片通过串口实现数据传输，并将采集的数据以数字量形式输出。

2.2 通信定位模块

空气质量监测节点通常在城市中使用且通信距离较长，故本文选用4G通信作为主要通信方式。4G通信速度快、网络频谱宽、通信灵活、兼容性好，可以满足将数据实时发送至服务器的要求[4]。为实现节点定位和空气污染溯源，同时增强节点在不同应用环境的融入性和适用性，本设计选用GPS定位以满足节点设计需求。

基于以上两点，本文选用SIM7600CE-T模块，该模块集成有4G通信和GPS定位功能，与单片机通过串口发送AT指令实现对模块的控制与数据信息的传输[5]。

2.3 微处理器

通过以上设计可以发现，监测节点集成了多个传感器并包含了通信定位模块。为满足数据采集和处理需求，本文选用STM32F103RCT6作为主控芯片。这是一种嵌入式-微控制器集成电路，芯片主频最高为72 MHz，处理能力为1.25 DMIPS/MHz，内置高速存储器（512 KB闪存和64 KB SRAM），其丰富的增强I/O端口能充分满足本设计多传感器的需求[6]。

2.4 电源模块

由于传感器节点分布在城市中，因此以市电作为供电方式最为方便，但市电为220 V交流电，无法满足设计中节点各模块的用电需求，于是设计了220 V转5 V和转3.3 V的线性稳压电源模块。

线性稳压电源模块接入220 V/50 Hz的交流电后，经220 V转15 V变压器将电压降低输出到整流桥，同时接入保险丝进行短路保护，整流桥将交流电转变为脉动较大的单向直流电压，再接入滤波电路得到平滑的电压输出，最后通过LM7805和LM7905稳压模块得到低噪声、稳定的±5 V电压输出[7]，通过ASM1117稳压芯片将5 V电压转换为3.3 V。

3 软件设计

3.1 监测节点程序设计

监测节点程序流程如图3所示。监测节点读取地理位置坐标，并查询当前时间，若时间为15 min的整数倍时，连接服务器，读取传感器数据并上传（将时间控制在规律的时间点，有助于后续数据的整理）。

图3 监测节点程序流程

主控芯片通过UART与4G模块相连，通过发送AT指令对4G模块进行控制。节点启动时首先进行初始化操作，结束后查询当前GPS并将信息保存在本地，由于节点基本不做移动，所以只需在节点位置发生移动时手动重置GPS即可。

3.2 服务器接收程序设计

接收程序单个线程流程如图4所示。接收程序初始化完成后首先进行数据服务器连接，然后打开相应端口准备TCP连接，由于节点众多，单线程进行TCP连接效率较低，所以可根据实际节点数量采用多端口多线程进行接收，以确保数据接收速度与准确率。节点在与服务器确认连接后将整理完成的数据传送至服务器，接收后将数据进行裁剪、转换，写入数据库。

图4 服务器接收程序流程

3.3 前后端交互设计

数据查询主要通过Web终端实现，其与服务器的交互流程如图5所示。终端采用HTML5+JavaScript编写，不受操作系统影响，可移植性强。HTML5负责展示界面，云图制作由JavaScript完成。用户可在终端界面选择相应的时间、污染物类型，然后向服务器发出查找请求，终端获取服务器响应后展示云图及相关信息。

3.4 云图效果示意

云图利用热力图生成算法生成。根据采集整理好的数据，为每个数据点设置一个从中心向外灰度渐变的圆，利用灰度叠加原理，计算每个像素点数据交叉叠加得到的灰度值[8]，即可得到如图6所示的灰度渐变叠加图。根据计算得到的灰度值对图像进行颜色映射，得到如图7所示的彩色图。不同的色彩代表不同的污染程度，达到重度污染阈值以上即为红色，污染重轻颜色按赤橙黄绿蓝递减。该图可以在地图上清晰呈现出空气污染源位置及污染扩散方向，便于环境部门预测污染物的扩散趋势，并及时准确地采取防治措施。

图6 圆形灰度渐变叠加图

图7 彩色映射图

4 结 语

本系统设计了一套城市微环境空气质量监测系统，该系统由监测节点、服务器以及Web终端组成，实现了多种类空气污染物的实时监测。监测节点主要由电源模块、微处理器、空气质量传感器模块和通信定位模块组成，可及时采集空气污染数据并实时上传。服务器接收传感器数据后写入数据库保存，并利用数据构建微环境空气质量云图。Web终端从服务器读取数据，并以热力图的形式直观呈现在城市地图上，用户通过生成的云图对污染源做进一步分析预测。该系统在城市微环境空气质量监测和预警方面具有较高的应用价值。