网格化大气环境在线监测系统设计

岳雪楠，储 健

（天津职业技术师范大学 自动化与电气工程学院，天津 300222）

21世纪以来，不断加速的现代化建设进程使人们一边享受高科技带来的便利，一边污染环境。环境污染的形式有很多种，和人们密切相关的污染主要包括水资源、大气、废电池、土地、放射性等方面的污染。近年来，节能减排、温室效应、总悬浮颗粒物（Total Suspended Particulate，TSP）、可吸入颗粒物[1]（PM2.5）、细颗粒物（PM10）等和大气环境相关的专有名词映入人们眼帘，逐渐成为人们关心的话题。在发展过程中，不断加重的雾霾天气，既损害了人类的健康，又严重破坏了环境，人们开始注重环境保护。

1 研究背景及意义

随着工业化进程的加快，各种环境污染问题开始凸显，而空气质量作为衡量大气污染程度的重要指标，越来越受国家的重视。为了治理环境，国家每年都投入大量人力、物力，效果差强人意。目前，国内用于空气质量监测的方法分两种[2-3]：人工监测和自动化监测站。工作人员去污染现场采集空气数据并带回实验室分析，达到监测目的的方法就是人工监测。但是这种方法存在很大问题，比如因为工作人员操作失误导致检测结果有偏差、工作人员在污染现场取样时会误吸入有毒有害气体导致身体受到伤害、人力成本高且监测效果不及时等。自动化监测站虽然能够及时有效地对大气环境进行监测，但由于体积庞大、价格昂贵（仪器设备成本在50～80万元），维护和使用的成本较高（建设成本在10～20万元），监测覆盖范围不足，不利于推广。立足时代发展需要，提高监测效率，查清污染源，进行批量化、网格化[4]的布局监测刻不容缓。

网格化大气环境在线监测系统以物联网技术为基础，通过无线通信方式，将监测数据汇总至物联网云平台。对空气站进行合理布局，就能实现多个监测点的互联互通，达到对污染源精准追踪的目的。这不仅能大幅降低监测成本、节约人力物力，还能为精准治污提供强大的数据支撑。主要意义如下：

（1）精准把控污染源，实现定向治理。系统实时监测PM2.5等颗粒物、SO2等有毒有害气体，确定区域内大气环境污染因素，使工作人员能够准确找到源头。

（2）完善监测机制。通过大面积部署监测点的方式，以网格的形式实现大气环境全面监测，扩大覆盖面。

（3）多角度分析数据，为污染防控提供数据支撑。系统可以有效分析空气质量，进行数据对比、报表统计等相关操作，同时将信息及时全面地提供给政府部门，使政府部门能够有针对性地采取措施，提升环境突发事件的快速反应和处置能力。

2 控制方案

网格化大气环境在线监测系统总体由以下部分组成：硬件设计、软件程序编写以及物联网云平台页面布局。

2.1 系统硬件设计

2.1.1 微控制器

本系统选择STM32系列芯片作为微控制器。由ST公司推出的STM32F103RCT6[5]，是一款嵌入式微控制器集成电路。该芯片搭载32位Cortex-M3内核，时钟频率最高可达到72 MHz，具有强大的数据处理能力。由于其在低功耗、高性能、价格便宜等方面具有突出优势，被广泛应用于环境保护、医疗、工业控制等领域。

2.1.2 气体采集单元

系统选用智能型气体传感器，该传感器将几个气体测量组件集成在一个模组内，因此体积小、测量准确。本单元使用扩散式气体检测方法[6]，被检测区的气体跟随空气自由流动扩散进入气体传感器中，达到采集数据的目的，各监测气体参数如表1所示。

表1 各项监测气体参数

2.1.3 颗粒物监测单元

本单元基于激光散射法测量颗粒物浓度，传感器测量组件以Gustav Mie粒子光散射理论为基础，结合微光电探测技术制作了一套完整的空气颗粒分布浓度测量系统[7]，颗粒物参数如表2所示。

表2 监测颗粒物参数

2.1.4 气象监测单元

本单元采用风速传感器、风向传感器和温湿度传感器，实现对风速、风向、温度以及湿度等参数的测量。

2.2 系统软件设计

系统软件程序的组成部分如图1所示。

图1 系统软件流程

（1）硬件设备上电，中央处理器（Central Processing Unit，CPU）执行初始化程序，大气环境监测系统初始化；

（2）气体、颗粒物、气象等传感器运作，开始采集大气环境相关信息；

（3）采集完毕后，传感器打包数据并实时发送至处理单元，由CPU进行相应的信息处理；

（4）处理完毕后的信息由CPU通过无线通信模块实时传递至物联网云平台，再由云平台进行相应操作，如对相应的数据进行处理、存储和分析。

在整个流程中，若传感器没有采集完毕、CPU未接收到或未处理完数据等，都将返回至上一步指令重新操作，直至CPU处理完毕。处理完毕的数据，经由无线通信模块传输至监控平台。

2.3 物联网云平台

云平台通过VC编程实现界面登录、数据存储以及数据显示等相关操作[8]，绑定硬件设备后，通过无线通信模块实现和硬件设备之间的数据传输[9]。云平台接收到数据后，可以实时显示系统监测的参数，方便工作人员对系统上传的实时级、分钟级、小时级、日级监测数据进行查看，实现远程监控；也可以将上传的数据存储在Excel表中，导出历史数据，方便后期的处理分析。系统将环境大数据汇集到“云平台”，就能为网格化平台提供数据基础。

3 现场演示

将硬件设备放置在检测区，上电之后，打开控制开关，开始采集大气环境相关参数，如图2所示。

图2 微型监测站

数据采集完毕后，将云平台的IP地址输入浏览器，在登录界面输入用户名和密码后，就能在云平台上实时查看环境参数信息。平台每隔30 s刷新一次数据，图3为存储的历史数据。

图3 历史数据导出

4 结语

基于传感器技术、物联网技术以及无线通信技术，设计了一种网格化大气环境在线监测系统，该系统主要包括硬件实物、软件程序和云平台。硬件实物部分选用STM32芯片为主控制器，采用各种气体、颗粒物和气象等传感器采集相关数据；软件部分主要是设计通信协议，对多个传感器采集的数据进行打包发送至处理器，由微处理器进行相关的处理后实时发送至云平台；通过VC编程实现云平台页面设计，使其能实时显示监测信息，并进行存储等相关操作。监测系统以网格的方式实现监测区域的全面覆盖，同时提供丰富的数据分析、数据对比、报表统计等功能，为政府部门精准治污提供数据支撑，有利于保障环境监测的实时性、精准性和环境治理的科学性。