郭朝中，劉代軍，石東平，孫凌濤，胡安平，黃　靜，謝俊相，楊進勇

(重慶文理學(xué)院新材料技術(shù)研究院， 重慶　永川　402160)

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一種新型PM 2.5環(huán)境監(jiān)測儀的設(shè)計

郭朝中，劉代軍，石東平，孫凌濤，胡安平，黃靜，謝俊相，楊進勇

(重慶文理學(xué)院新材料技術(shù)研究院， 重慶永川402160)

[摘要]本文介紹了一種自主設(shè)計的新型PM 2.5智能監(jiān)測系統(tǒng)，它以太陽能電池組為供電體系，通過聯(lián)合使用A/D轉(zhuǎn)換器以及其他常規(guī)檢測儀器，可實現(xiàn)對空氣質(zhì)量的多功能、高精度監(jiān)測；采用GTM900B無線模塊進行數(shù)據(jù)傳輸，確保了監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時更新.

[關(guān)鍵詞]PM 2.5；環(huán)境監(jiān)測；空氣質(zhì)量

空氣污染程度直接反應(yīng)空氣質(zhì)量，可通過檢測空氣中污染物濃度的高低進行判斷.總結(jié)最近的研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)空氣中的污染物主要包括煙塵、可吸入顆粒物(PM 10)、細小顆粒物(PM 2.5)、總懸浮顆粒物、一氧化碳、二氧化氮、二氧化硫、臭氧、揮發(fā)性有機化合物等[1，2].其中，PM 2.5是在空氣環(huán)境中空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑≤2.5 μm的顆粒物，也稱之為“可入肺顆粒物”.由于PM 2.5粒徑小、面積大、易附帶有毒有害物質(zhì)，并且在大氣中停留時間長、傳輸距離遠，對人體健康、大氣質(zhì)量的影響很大[3，4].據(jù)聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署在中、印等國開展的PM 2.5檢測試驗報告，PM 2.5濃度上升20 μg/m3，將致死約34萬人/年.因此，加強對PM 2.5的實時監(jiān)測及控制愈發(fā)重要.

1PM 2.5監(jiān)測系統(tǒng)的介紹

本監(jiān)測系統(tǒng)以STC12C5A60S2型單片機為核心，對大氣中的污染物進行實時監(jiān)測.通過大氣污染物成分監(jiān)測儀分別對空氣中的一氧化氮、二氧化硫、一氧化硫、PM 2.5的濃度及空氣的溫、濕度進行監(jiān)測，并將檢測得到的數(shù)據(jù)進行A/D轉(zhuǎn)換和單片機處理，由GSM模塊進行數(shù)據(jù)傳輸，使其在上位機顯示器上進行顯示.此系統(tǒng)的硬件部分由太陽能電池組、大氣污染物成分檢測儀、單片機、顯示器和A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，如圖1所示.連接方式為：太陽能電池組與單片機連接、單片機與顯示器連接、大氣污染物成分檢測儀與A/D轉(zhuǎn)換器連接、A/D轉(zhuǎn)換器與單片機連接.其中，大氣污染物成分檢測儀包括PM 2.5測試儀、二氧化氮檢測儀、二氧化硫檢測儀、一氧化氮檢測儀、空氣溫度檢測儀和空氣濕度檢測儀.

圖1　PM 2.5環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

另外，PM 2.5檢測系統(tǒng)的主要特點如下：

(1) 用太陽能電池組供電，確保檢測系統(tǒng)可實時獨立運行，便于維護、節(jié)能環(huán)保.

(2) 增加了高精度的A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬信號數(shù)字化，有效提高了檢測精度[5，6].

(3) 增補了幾種其他的常規(guī)檢測儀器，實現(xiàn)了對空氣質(zhì)量的多功能監(jiān)測.

(4) 利用GTM900B無線模塊進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)了檢測數(shù)據(jù)的及時更新.

2PM 2.5監(jiān)測系統(tǒng)的各個模塊及作用

2.1　電源模塊

電源部分采用太陽能電池組和UC3909集成控制器構(gòu)成的充電式蓄電池兩種方式給各個模塊進行供電.在光照強度較大的情況下，由太陽能電池組對系統(tǒng)直接進行供電，當(dāng)光照強度不能達到要求時，則由蓄電池對系統(tǒng)進行供電.此種供電方式避免了系統(tǒng)因突然斷電而無法及時更新數(shù)據(jù)的問題.

太陽能電池組由高效晶體硅太陽能電池片、超白布紋鋼化玻璃、EVA、透明TPT背板以及鋁合金邊框構(gòu)成，具有使用壽命長、機械抗壓強度大等特點，被廣泛應(yīng)用于交通、通訊、石油、海洋、氣象等領(lǐng)域.

采用UC3909集成控制器作為充電式蓄電池的核心元件，是由于UC3909集成控制器內(nèi)部的高效率平均電流控制環(huán)路可以以開關(guān)工作方式精確地控制鉛酸蓄電池的充電狀態(tài).在UC3909內(nèi)部有采用平均電流PWM控制的鉛酸蓄電池充電狀態(tài)邏輯控制電路，通過鉛酸蓄電池的充電邏輯狀態(tài)控制，可控制充電器電路的充電電壓和充電電流.在UC3909內(nèi)部還含有電壓鎖定輸出電路，可確保充電器電路只會在有足夠高的電源電壓加到UC3909時充電電路才開始工作.

2.2　程序控制模塊

利用STC12C5A60S2型單片機實現(xiàn).STC12C5A60S2是STC生產(chǎn)的單時鐘/機器周期的單片機，指令代碼與傳統(tǒng)8051完全兼容，速度卻是傳統(tǒng)8051的8~12倍.內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S)，適用于電機控制、強干擾場合.此單片機的工作電壓3.3~5.5 V、工作頻率0~35 MHz；通用I/O口，復(fù)位后為普通8051傳統(tǒng)I/O口，可設(shè)置成4種模式.另外，其獨特的優(yōu)勢在于可對使用者寫入的程序進行加密保護，不會出現(xiàn)成果被盜用的風(fēng)險.

2.3　數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊

用無線傳感器對空氣中的二氧化硫、PM 2.5濃度及溫度、濕度等進行實時監(jiān)測.

2.3.1二氧化硫傳感器

空氣中的二氧化硫含量用二氧化硫傳感器進行監(jiān)測.二氧化硫傳感器是利用控制電門點解的原理，使待測氣體在傳感器的工作電極上在一定控制電位下發(fā)生氧化反應(yīng)，當(dāng)點位控制足夠正且電極的催化活性足夠高時，氧化反應(yīng)就進行得很快，過程的總速度由二氧化硫擴散步驟決定，產(chǎn)生的信號電流和二氧化硫的濃度呈正比.二氧化硫傳感器具有電流靈敏度高、響應(yīng)時間短、受溫度和濕度影響小、穩(wěn)定性好、本底噪音低的特點，不僅可以測定空氣中的二氧化硫，還可以用于測定低電導(dǎo)率液體中的二氧化硫.

2.3.2溫度、濕度傳感器

空氣中的溫、濕度含量選用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器進行檢測.此類傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接.每個DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準，校準系數(shù)以程序的形式存儲在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準系數(shù).單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷.超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20 m以上，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場合的最佳選擇.該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點，在暖氣空調(diào)、汽車、測試及檢測設(shè)備、數(shù)據(jù)記錄器、溫度調(diào)節(jié)器、除濕器等領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用.

2.3.3PM 2.5傳感器

空氣中PM 2.5的含量用專門設(shè)計的PM 2 .5傳感器進行檢測.PM 2.5傳感器(PM 2.5檢測儀OPC-N1)是一款輕便型裝置，采用先進的光學(xué)系統(tǒng)及精準的電子處理裝置，提供快速精確的粒子數(shù)和粒徑分布檢測，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的使用氣泵和樣氣過濾器的光粒子計數(shù)器不同.OPC-N1采用了完全不同的方法，它使用定制設(shè)計的橢圓鏡和一個雙元件光電檢測器的組合，在一個開放的散射腔室的中心自由空間創(chuàng)建一個“虛擬感應(yīng)區(qū)”；隨后，感應(yīng)區(qū)及其周邊空間會被一個薄的帶狀激光束照亮.含顆粒的空氣不受約束地通過散射室且可以穿過激光束感應(yīng)區(qū)內(nèi)外，但只有那些穿過感應(yīng)區(qū)域內(nèi)的顆?？杀浑p元件檢測器確認并由OPC電子計數(shù)/測量大小.值得關(guān)注的是，OPC-N1采用全新的粒子計數(shù)算法，綜合空氣動力學(xué)、激光檢測技術(shù)、數(shù)字信號處理、光機電一體化研發(fā).這種新型的設(shè)計可使用微型低功率風(fēng)扇代替氣泵產(chǎn)生所需的粒子流通過感應(yīng)區(qū)而不需要任何形式的粒子過濾器，避免了需要定期更換常規(guī)氣泵保護過濾器，取而代之的是允許長期無需維護的現(xiàn)場操作.低廉的價格有利于進行多點分布檢測，形成密集的檢測網(wǎng)路，準確地提供研究空氣污染狀況的依據(jù).該檢測儀被廣泛應(yīng)用于HVAC系統(tǒng)、室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測、室外環(huán)境監(jiān)測、路邊監(jiān)測站、工業(yè)測量、排放監(jiān)控等系統(tǒng)中.

2.4　數(shù)據(jù)傳輸模塊

本文自主設(shè)計的PM 2.5環(huán)境檢測儀的特別之處在于它利用的是GTM900B無線模塊進行數(shù)據(jù)傳輸.華為GTM900無線模塊是一款三頻段GSM/GPRS的無線模塊，它支持標準的AT命令及增強AT命令，提供豐富的語音數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等功能，是高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)雀鞣N應(yīng)用的理想解決方案，邏輯框圖如圖2所示.它的功能特點有：①支持800 MHz單頻獨立工作、900 MHz/1800 MHz雙頻自動選擇、800 MHz/900 MHz/1800 MHz三頻自動選擇，三者可通過軟件便捷切換；②通過內(nèi)部更換硬件器件，可支持850 MHz頻段和1900 MHz頻段；③提供標準UART接口，串口速率最大支持115.2 Kbps，支持分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、GPRS CLASS 10、FR EFR HR和AMR的語音編碼、標準AT命令和擴展AT命令集，同時提供UART Audio SIM卡 Power Control ADC接口.

2.5　數(shù)據(jù)顯示模塊

數(shù)據(jù)顯示由上位機完成.上位機是控制者和提供服務(wù)者，被控制者和被服務(wù)者則成為下位機.在PM 2.5環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，單片機作為下位機，去控制相關(guān)的設(shè)備工作.上位機與下位機的工作過程就是由上位機首先發(fā)出指令給下位機，下位機將得到的命令轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的時序信號直接控制相應(yīng)設(shè)備.下位機不時讀取設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號反饋給上位機，上位機得到數(shù)據(jù)后，自動與原始數(shù)據(jù)進行比較，比較之后將結(jié)果在屏幕上顯示出來.

圖2　GTM900邏輯框圖

3程序流程圖

圖3　程序流程圖

4結(jié)語

本文設(shè)計了一種新型PM 2.5大氣污染物環(huán)境檢測系統(tǒng).該系統(tǒng)利用上位機和單片機進行控制，傳感器進行污染物檢測，GTM900B無線模塊進行高速數(shù)據(jù)傳輸，上位機顯示數(shù)據(jù).該系統(tǒng)采用了太陽能電池組和充電式蓄電池兩種方式聯(lián)合供電，既節(jié)能又環(huán)保，且使人們能夠及時了解到大氣質(zhì)量的變化情況，對提高人們的生活質(zhì)量有實際意義.

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(責(zé)任編輯穆剛)

Design of a new PM 2.5 environmental monitoring system

GUO Chaozhong, LIU Daijun, SHI Dongping, SUN Lingtao, HU Anping, HUANG Jing, XIE Junxiang, YANG Jinyong

(Research Institute for New Materials Technology, Chongqing University of Arts and Sciences, Yongchuan Chongqing 402160, China)

Abstract：This paper has designed a new PM 2.5 environmental monitoring system, which uses the solar panels, high precision A/D converter and other routine testing instrument. It can achieve alone multifunctional and high precision monitoring of air quality. Besides, the data transmission part has adopted wireless transmission module GTM900B in order to update monitoring data in real time.

Key words：PM 2.5; environmental monitoring; air quality

[中圖分類號]X859

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-8004(2015)05-0096-03

[通訊作者]劉代軍(1987—)，男，重慶巫溪人，助理工程師.

[作者簡介]郭朝中(1987—)，男，重慶萬州人，講師，博士，主要從事傳感器方面的研究.

[基金項目]重慶文理學(xué)院科研項目(Y2014CJ24)；重慶文理學(xué)院引進人才專項資助項目(R2014CJ02).

[收稿日期]2015-04-09