城市扬尘在线监测系统的设计与应用

孙 彪，戴兆明，张 彪，许传龙

(1.东南大学火电机组振动国家工程研究中心，能源与环境学院，江苏 南京 210096;2.江苏啸峰环保科技股份有限公司，江苏 南京 211100)

随着我国经济快速发展，工业化、城市化进程不断加快，城市大气污染问题也日益严重。据近几年生态环保部公布的城市空气质量状况数据显示，颗粒物为首要污染物的天数占重度及以上污染天数的90%以上，而部分城市的颗粒物来源解析结果又表明，扬尘是造成城市颗粒物污染严重的主要因素[1]。由此看来，维护和改善城市空气质量的关键是对扬尘污染进行有效的监测与治理。

城市扬尘污染会造成生态环境的恶化，严重危害民众身体健康，主要来源于建筑施工扬尘、交通道路扬尘、物料堆放扬尘等[2]。由于施工场地未按规范绿色施工，煤、沙土等运输车辆以及物料堆放未按规定采取遮盖、防扬散措施，导致扬尘污染形势依旧严峻。扬尘监管过程中面临着监管不足、调查取证难、监管成本高、监管效率低、数据可靠性低这一系列问题。针对以上问题，国内众多机构对扬尘监测系统进行研究，然而依旧存在着不足，如中国计量大学[3]以及中国建筑第七工程局[4]研制的扬尘远程在线监测系统，仅能够对采集数据进行简单的存储和显示，且测量终端设计不完善，无法保证数据的可靠性。

为了响应《大气污染防治法》号召，加强政府相关部门的有效监管，弥补现有系统不足，有必要对系统进行改进和完善。本文将TSP、PM10和PM2.5作为扬尘监测的指标，用其质量浓度评价空气质量的好坏。经调研发现，气象参数(温湿度以及风速风向)会对扬尘的产生、扩散、沉降等各个方面产生重要影响[5-6]，对气象参数进行监测有助于进一步实现扬尘污染的精准预警以及动态跟踪。结合调查取证以及获取监测位置的需求，最终确定系统需要实现对TSP、PM10、PM2.5、温湿度、风速风向、位置以及监控视频的采集。在确定采集数据后，基于先进的测量技术、传感器技术、无线通讯技术、软件应用技术，搭建了以数据可靠、远程实时传输、功能丰富为特点的城市扬尘在线监测系统。本系统属于微观监测系统，是对国家监控点时间和空间上的重要补充，有利于实现扬尘污染的有效防治和精细化管理。

1 系统总体方案

城市扬尘在线监测系统主要分为监测终端和监测平台，二者之间采用高传输速率、短延迟并且完全覆盖城市地区的4G网络进行端到端的通信。监测终端由分散在不同区域的监测节点组成，每一个监测节点主要由扬尘测量模块、气象参数采集模块、定位模块、视频监控模块、数采仪以及通信模块组成。视频监控模块与通信模块直连，而其它传感器设备以数采仪作为中间控制件与通信模块形成间接连接。至于监测平台则主要由服务平台和Web浏览器组成，其采用较为流行的B/S(Browser/Server)模式进行设计，该设计模式具有访问方便、易于开发、升级和维护以及业务扩展方便的优势[7-9]。整个系统工作流程可以简述为：监测终端采集数据通过4G无线通信传输到监测平台，监测平台对数据解析存储并通过Web网页进行可视化显示。城市扬尘在线系统的总体框架设计如图1所示。

图1 系统总体框架设计

2 监测终端

2.1 终端模块设计及设备选择

(1)扬尘测量模块：主要由数字粉尘仪和除湿预处理系统组成。由于光散射法在颗粒检测领域具有实时性好、精度高、测量范围广、重复性好、非接触等优点[10-11]，数字粉尘仪选用基于90°光散射原理的测量仪器。其采用电子切割技术可以同时实现对TSP、PM10、PM2.5颗粒浓度的测量，测量范围在0～50 mg/m3。湿度的大小会对颗粒物性产生影响，进而影响光散射测量结果，当空气中湿度大于60%时，这种干扰作用不可忽略[12-13]，因此本文采用加热与膜联合除湿预处理系统以提高设备测量精度。除湿预处理系统目标是将含尘空气的湿度处理到50%以下，如果环境中的空气湿度原本就低于50%，预处理系统将不会工作。当检测到空气中的湿度在50%以上，含尘空气首先经过加热除湿，加热温度控制在40～50 ℃，此时还未达到目标湿度，后续将通过膜除湿进一步降低湿度实现50%以下的目标。

除湿结构设计中，加热除湿与膜除湿呈上下串联形式并采用内外双管，外管为金属管，内管上半部分采用金属管，下半部分采用高分子有机膜管。加热除湿部分包括玻纤加热线和K型热电偶，加热丝加热温度可达350 ℃，热电偶测温范围在-29～180 ℃。为了使采样管均匀受热，将加热丝以螺旋的方式缠绕在采样管上，加热丝底部布置并包裹热电偶用于测量加热温度。膜除湿部分包括高分子有机膜和除湿机，除湿机提供干燥的空气及时将透过测的水蒸气分子带走，以保证膜管两侧的压力差。干燥空气为逆向吹扫气，这样有利于提高除湿效果。扬尘测量模块结构示意图如图2所示。

图2 扬尘测量模块结构示意图

(2)气象参数采集模块：气象参数采集模块实现对温湿度以及风速风向的测量。考虑到应用场合以及性价比，选用热电阻式温度传感器和电容式湿度传感器集成的微型传感器以及三杯式风速、单翼式风向一体式传感器，测量范围分别为T=-30～80 ℃、RH=0～100%、V=0～70 m/s、D=0～360°。

(3)定位模块：定位模块可以提供监测站点位置信息，方便监测站点的空间管理。选用支持GPS和北斗同时定位的定位模块，定位误差能够控制在2.5 m之内，可以实现快速和精准定位。

(4)视频监控模块：由摄像机和网络视频录像机(NVR)组成，NVR可弥补摄像机存储容量不足的问题。2种设备均选自海康威视，选用的球型摄像机采用Smart265高效压缩算法，支持昼夜模式自动切换、智能巡航等多种功能；与之配套的NVR提供6TB容量的硬盘存储，支持标签定义、查询、回放录像文件等多种功能，并支持GB28181、Ehome以及萤石云协议接入平台。

(5)通讯模块：选用4G全网通工业路由器作为监测终端和服务平台的通信桥梁。该路由器采用高性能的32位通信处理器，带有软件多级检测和硬件多重保护机制来提高设备稳定性并且支持远程升级，具备一个串口以及多个以太网接口，满足扬尘监测系统的通信要求。

(6)数采仪：数采仪全称为数据采集传输仪，广泛应用于环境监测系统终端。选用支持国标环保212协议的数采仪，其内部采用高性能的GD32F407VET6芯片以及板载32GB Micro SD卡，整合了强大的运算、存储效能和丰富的外设接口，满足数据采集、处理及传输的硬件要求。

2.2 终端数据传输设计

城市扬尘监测终端数据传输流程如图3所示。终端系统上电后进行初始化，通过感知设备获取监测数据源，监测数据可分为两大类：非视频监控数据(包括扬尘、气象、位置数据)和视频监控数据，两类数据会进入不同的数据传输通道。

图3 终端数据传输流程

非视频监控数据由数采仪通过串口采集，解析处理后按照实时数据、分钟数据、十分钟数据、小时数据和日数据进行保存。在数据保存的同时，数采仪会自动的将环境数据、位置信息等数据通过4G模块上传到监测平台实现远程存储，一旦有扬尘浓度超标事件发生，会立即向监测平台发送报警信息。而视频监控数据则是由NVR通过网口采集并进行实时录像存储，由于视频数据量过于庞大(按2 Mbps低码流计算，存储一个月的视频数据需要632.8G内存)，出于成本考虑，不在监测平台进行远程存储。并且为了简化开发过程，不独立构建流媒体服务器，而是采用NVR支持接入的萤石云平台提供流媒体服务，监测系统后台服务器通过调用萤石云提供的API可实现相应的功能。

3 监测平台

3.1 平台系统架构

监测平台由Web浏览器和服务平台构成，按照逻辑架构可分为客户层、应用层和数据层，如图4所示。系统平台开发过程中采用Jfinal+Metrolab UI作为核心技术框架。Metrolab UI是一种主流的前端页面框架技术，能够通过简单的编码实现友好的界面，使用起来极其方便。而Jfinal是一个基于Java语言、开源的极速Web后端开发框架，简化了传统的MVC框架，通过极简设计风格的概念，尽可能地让开发者能够通过零配置、较少的代码量进行开发，具有快速开发、功能强大、易于扩展、轻量级、易于学习等特性[14-15]。

图4 平台系统架构

(1)客户层：客户层负责系统功能界面的可视化显示，是用户和服务平台交互的桥梁。用户可以通过浏览器网页随时随地的访问服务平台，实现扬尘监测需求。客户层基于Html、Css和Javascript语言实现，其中Html和Css语言负责装载并渲染网页内容，Javascript语言主要负责响应用户的输入操作。

(2)应用层：应用层负责对具体业务功能的实现，一方面接收并处理终端设备的上传数据，另一方面对用户的地图显示、数据查询、视频监控等请求进行响应反馈。应用层中的每一业务功能由对应的Controller和Service类实现，Controller会从请求中读取参数信息，并转交给Service执行具体的业务逻辑。

(3)数据层：数据层负责数据的存储(终端数据、用户信息、设备信息、报警信息等)以及对数据库的访问。数据库采用精巧并且性能卓越的MySQL关系型数据库，由Model类实现对实体数据的封装以及对数据库进行增删改查操作。

3.2 功能模块设计

城市扬尘在线监测平台由监测与分析、报警管理、监测场所管理、组织机构管理、用户权限管理以及配置管理6大功能模块组成，其组织结构如图5所示。

图5 功能模块设计

(1)监测与分析：监测与分析是系统核心功能。可借助电子地图技术反映扬尘、气象参数的实时状况，查看监测站点信息、过去24 h动态监测曲线以及现场视频监控画面等；支持以站点名称、监测参数、数据类型、时间段为条件进行历史监测数据的查询及下载，并提供不同站点间监测数据的对比分析功能。

(2)报警管理：当扬尘浓度发生超标时，系统会在发送超标报警短信的同时，在数据库中记录一条报警信息，随后通过界面以列表的形式显示报警信息。

(3)监测场所管理：实现监测站点所属区域以及所属企业的管理。

(4)组织机构管理：实现对有扬尘监测需求的组织机构信息以及站点维护联系人信息的管理。

(5)用户权限管理：提供用户资料、账号密码管理以及为用户分配不同的权限的功能。只有添加到管理列表的用户，才能登陆Web网页进行相关操作。

(6)配置管理：为监测设备配置设备名称、设备编号、监测因子、监测因子上下限值、设备联系人、流媒体服务器IP及端口等相关参数。这里的监测因子指TSP、PM10、PM2.5、温湿度、风速风向、加热温度、K值、PM10分割线、PM2.5分割线等。该模块通过参数配置可以实现历史监控视频回放、加热温度的控制、报警阈值设置以及仪器的校准。

3.3 开发环境搭建

系统平台的集成开发环境采用免费开源的Eclipse开发工具进行搭建，以Tomcat作为Web应用服务器，MySQL作为数据库服务器。通过Maven插件实现系统项目的管理。系统项目被划为4个Maven子项目，(1)UIB项目：包含了系统中所有的业务级核心代码、业务逻辑代码；(2)Jfinal项目：包含了系统框架级核心代码；(3)WebApps项目：包含了系统中所有展示层代码；(4)Test项目：包含了系统中所有的测试代码。

4 系统应用

4.1 实际工程项目

为了更好地有效控制扬尘污染，保护和改善大气环境质量，保障人民健康安全，本文设计实现的扬尘监测系统已经实际应用于南京市玄武区扬尘监测项目中。

目前在玄武区的所有街道共安装了22个扬尘监测点，由终端设备组装成一体式微型监测站安装在各个监测点，使用220V市电进行供电，通过用户名和密码登录监测平台进行远程访问，实际应用界面如图6所示。本系统已经投入使用较长时间，无论是终端硬件设备还是监测平台软件部分都能够维持稳定运行状态，可以有效且全面地掌握玄武区扬尘污染状况，即时评价空气质量。既保证了监管的高效性，又节省了大量监管成本。

图6 实际应用界面

4.2 与国控点监测数据对比

整个监测系统以数据为支撑，如果不能有效保证终端数据测量的准确性，整个监测系统便失去了核心价值。为了验证监测数据的有效性，本文将系统所采集到的监测数据与玄武区的国控点监测数据进行对比。当前环保部在南京市共批准了13个国家监控点，其中玄武湖国控点位于玄武区，可用作扬尘监测数据的参照对比。考虑到这样的比较需求，因此设置了翠洲监控点，其位于国控点附近百米远。

扬尘监测数据对比从2021年1月份开始至2021年3月份结束，以日平均数据作为基准。玄武湖国控点数据来源于全国城市空气质量实时发布平台，平台仅发布实时小时数据，需要进一步处理为日数据，并保证每日不少于21个有效小时数据的算术平均值作为有效日均值数据，而本系统监测的日数据可直接从监测平台下载获取。由于国控点只有PM2.5以及PM10的监测数据，仅将PM2.5和PM10颗粒浓度进行对比展示，分别如图7、图8所示。

图7 PM2.5颗粒浓度对比

图8 PM10颗粒浓度对比

从上图7和图8可以看出，无论是PM2.5还是PM10，系统采集数据与国控点采集数据均有一定程度的误差，主要是因为两采集地点并不是紧密靠近的，当地实际扬尘浓度并不相同。不过可以发现，二者扬尘浓度的走势趋近一致，能够较好的反映玄武湖附近的污染趋势，进一步表明本系统监测数据具有较高的准确性和可靠性。

5 结论

面对城市扬尘监管过程中所遇到的问题，本文设计并开发了一套城市扬尘在线监测系统。从实用性、可靠性和完整性方面考虑，构建了由扬尘测量模块、气象参数采集模块、定位模块、视频监控模块、通讯模块以及数采仪组成的监测终端，实现了终端数据的传输设计；基于Jfinal+Metrolab UI开发框架完成了B/S模式监测平台的开发，满足了远程监测与管理的需求。系统在实际应用中运行稳定，并且通过与玄武湖国控点扬尘监测数据的参照对比验证了采集数据较为可靠，有助于加强扬尘污染防治，促进生态环境改善。