陳 松， 董曉瑩

分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在小范圍霧霾檢測(cè)中的應(yīng)用

陳 松， 董曉瑩

（遼東學(xué)院信息工程學(xué)院，遼寧 丹東 118003）

為解決溫度和空氣濕度對(duì)測(cè)試結(jié)果引起誤差問(wèn)題、傳感器測(cè)試精度不穩(wěn)定問(wèn)題，以及目前城市小范圍霧霾檢測(cè)設(shè)備的普及不足問(wèn)題，對(duì)目前國(guó)內(nèi)外PM2.5檢測(cè)采用的手段、方法和設(shè)備進(jìn)行了比較，設(shè)計(jì)了一款基于民用級(jí)的數(shù)據(jù)采集傳感器，使用GPRS無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，選擇STC15F2K08S2-SOP28型單片機(jī)作為硬件平臺(tái)的處理器，通過(guò)實(shí)際應(yīng)用反饋，系統(tǒng)滿(mǎn)足功能要求，既能通過(guò)手機(jī)APP實(shí)時(shí)了解小范圍內(nèi)的PM值，又能和現(xiàn)有的環(huán)保部門(mén)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)形成互補(bǔ)。

霧霾；PM值；傳感器

隨著我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷深入，環(huán)境問(wèn)題逐漸影響到了每個(gè)中國(guó)人。近些年來(lái)霧霾幾乎覆蓋了我國(guó)的大部分城市。我國(guó)的絕大多數(shù)城市也都設(shè)立了霧霾檢測(cè)機(jī)構(gòu)，并每天發(fā)布空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)。但是霧霾在城市里不是均勻分布的，鬧市區(qū)、交通干道、居民小區(qū)、公園的PM值不會(huì)相同，甚至?xí)休^大差距。群眾對(duì)居住地和生活周?chē)貐^(qū)的空氣質(zhì)量情況越來(lái)越關(guān)心。

進(jìn)口一套霧霾檢測(cè)設(shè)備大約需要10多萬(wàn)美金，國(guó)產(chǎn)設(shè)備價(jià)格也是幾十萬(wàn)人民幣不等。要想在城市各個(gè)區(qū)域都能部署監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，需要的資金投入是很高的。因此，有必要開(kāi)發(fā)功能可靠、實(shí)用價(jià)廉的霧霾檢測(cè)系統(tǒng)，既能方便了解小范圍內(nèi)的PM值，又能和現(xiàn)有的環(huán)保部門(mén)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)形成互補(bǔ)，對(duì)改善環(huán)境有參考意義。

開(kāi)發(fā)廉價(jià)實(shí)用的小范圍定點(diǎn)區(qū)域PM2.5監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與環(huán)保部門(mén)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的監(jiān)測(cè)方式互相合作，不但能滿(mǎn)足公眾對(duì)環(huán)境認(rèn)知的要求，而且也降低政府成本投入，擁有廣闊的市場(chǎng)前景。

目前主流的PM值監(jiān)測(cè)技術(shù)主要有三種方法：稱(chēng)重法、微量振蕩天平法和β射線(xiàn)法［1］。經(jīng)世界各國(guó)的權(quán)威檢測(cè)機(jī)構(gòu)及第三方監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)的測(cè)試，這三種方法中，微量振蕩天平技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)重量法數(shù)據(jù)的相關(guān)性最佳［2］。當(dāng)然，采用這些技術(shù)對(duì)相關(guān)設(shè)備的要求也高，價(jià)格不菲。

為了降低成本，普及PM2.5，讓公眾能隨時(shí)隨地了解空氣質(zhì)量，文章研究了一款適用于小范圍霧霾檢測(cè)的分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)技術(shù)是利用紅外光散射法以及處理模塊來(lái)測(cè)定大氣顆粒物濃度，測(cè)定速度較快，操作也簡(jiǎn)單。

系統(tǒng)將移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)GPRS、GPS定位、PM數(shù)據(jù)采集等技術(shù)集成起來(lái)，用于城市PM大數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。增加城市中輕便型民用PM數(shù)據(jù)采集裝置的安裝數(shù)量，提高PM數(shù)值的采集密度，將實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)上傳到服務(wù)器上。再通過(guò)APP、WEB等技術(shù)手段分享出去，供人們出行參考，或用于城市霧霾的實(shí)時(shí)精確監(jiān)控。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)包括：數(shù)據(jù)采集平臺(tái)、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)處理平臺(tái)和監(jiān)測(cè)應(yīng)用平臺(tái)3部分。

數(shù)據(jù)采集前端設(shè)備負(fù)責(zé)采集PM2.5和PM10的濃度數(shù)據(jù)，然后通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)接收服務(wù)器上進(jìn)行數(shù)據(jù)初步處理，再經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)立方系統(tǒng)，進(jìn)行存儲(chǔ)和計(jì)算，最后由WEB服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的最后處理和公布，用戶(hù)可通過(guò)手機(jī)APP軟件或者電腦網(wǎng)頁(yè)隨時(shí)查詢(xún)指定地區(qū)PM數(shù)值（見(jiàn)圖1）。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

1.1 數(shù)據(jù)采集部分

數(shù)據(jù)采集部分包括采集前端設(shè)備、通信設(shè)備和電源。

前端設(shè)備采用先進(jìn)的傳感器、低功耗單片機(jī)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)相結(jié)合，使用探頭來(lái)進(jìn)行采集相關(guān)的數(shù)據(jù)，通過(guò)光散射獲取顆粒濃度。通信主要是通過(guò)GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)傳輸。每個(gè)前端設(shè)備都有一個(gè)SIM卡進(jìn)行通信，SIM卡使用GPRS業(yè)務(wù)。供電是鋰電池和市電互補(bǔ)的供電方式（見(jiàn)圖 2）。

圖2 為前端設(shè)備實(shí)物圖

1.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)處理平臺(tái)部分

數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)處理平臺(tái)是介于采集平臺(tái)和應(yīng)用平臺(tái)之間的系統(tǒng)，從架構(gòu)來(lái)看，包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、過(guò)期數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析等功能模塊。PM2.5數(shù)據(jù)全部存儲(chǔ)在監(jiān)測(cè)平臺(tái)的分布式文件系統(tǒng)中，部分為方便查詢(xún)存儲(chǔ)于關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中。

1.3 監(jiān)測(cè)應(yīng)用平臺(tái)部分

監(jiān)測(cè)應(yīng)用平臺(tái)部分包括監(jiān)控PM2.5實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)查詢(xún)等功能模塊。如果監(jiān)控范圍比較大，數(shù)據(jù)量就會(huì)很大，就需要多臺(tái)服務(wù)器并行處理。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 PM數(shù)據(jù)采集終端硬件系統(tǒng)

由于硬件平臺(tái)需要同時(shí)連接PM傳感器和GPRS通訊模塊，因此選擇STC15F2K08S2-SOP28型單片機(jī)作為硬件平臺(tái)的處理器，該處理器具有兩個(gè)串口可以同時(shí)連接兩個(gè)串口設(shè)備。供電系統(tǒng)采用5 V/2 A的電源適配器，為單片機(jī)主板和PM傳感器供電。由于GPRS通訊模塊工作在3.3 V電壓下，因此這里采用LM1117電源變換芯片作為GPRS通訊模塊的供電芯片，LM1117將系統(tǒng)的5 V電源變換為3.3 V輸送給GPRS通訊模塊工作。為方便巡查設(shè)置了三個(gè)工作指示燈，一個(gè)是電源指示紅色，燈亮代表系統(tǒng)供電正常處于工作中；一個(gè)是采集指示燈綠色，當(dāng)主機(jī)收到PM傳感器輸送的PM數(shù)值時(shí)，該指示燈點(diǎn)亮；一個(gè)是數(shù)據(jù)發(fā)送指示燈綠色，當(dāng)主機(jī)板向GPRS通訊模塊發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，該指示燈點(diǎn)亮；工作流程：工作時(shí)，PM傳感器每1.5 s左右向主機(jī)發(fā)送PM數(shù)據(jù)（采集指示燈點(diǎn)亮），主機(jī)板對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算，當(dāng)累計(jì)到一分鐘時(shí)，主機(jī)板向GPRS通訊模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包括PM2.5和PM10的一分鐘內(nèi)平均值以及本機(jī)所在經(jīng)緯度數(shù)據(jù)（此時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送指示燈點(diǎn)亮），GPRS通訊模塊會(huì)將數(shù)據(jù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送給預(yù)設(shè)的服務(wù)器IP地址和端口。PM數(shù)據(jù)采集終端主機(jī)圖（見(jiàn)圖3）。

2.2 傳感器數(shù)據(jù)采樣原理

系統(tǒng)對(duì)空氣中顆粒數(shù)據(jù)濃度的采集主要是通過(guò)傳感器。該傳感器利用PWM脈沖寬度調(diào)制輸出，計(jì)算與粒子計(jì)算器原理相同，檢測(cè)單位體積上顆粒的個(gè)數(shù)。傳感器的原理結(jié)構(gòu)。（見(jiàn)圖4）

圖4 傳感器的原理結(jié)構(gòu)圖

傳感器內(nèi)置加熱器，能夠自動(dòng)吸入空氣，發(fā)射的光線(xiàn)遇到空氣中的顆粒會(huì)產(chǎn)生反射光，顆粒大小不同光的強(qiáng)度不同，利用光和透鏡的原理，傳感器可檢測(cè)到光的強(qiáng)度，然后輸出信號(hào)，將光的強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)換為兩個(gè)不同的脈寬調(diào)制信號(hào)PWM，以區(qū)分不同灰塵顆粒物的濃度。

2.3 采樣數(shù)據(jù)的計(jì)算

當(dāng)帶有灰塵的空氣穿過(guò)檢測(cè)通道時(shí)，粉塵對(duì)光反射，光反射強(qiáng)度與灰塵濃度成正比。傳感器把光的強(qiáng)弱信號(hào)轉(zhuǎn)換成電的脈寬調(diào)制信號(hào)（PWM），通過(guò)獲取低電平的占空比，獲取到相關(guān)參數(shù)，得出顆粒物的等效粒徑及單位體積內(nèi)不同粒徑的顆粒物數(shù)量［3］。

PM2.5指的是空氣中空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于2.5μm的顆粒物，而直徑大于2.5小于10 μm的顆粒值稱(chēng)為PM10［4］。

這樣，就需要采集傳感器兩個(gè)通道的值，一個(gè)通道采樣1μm以上的粒子的值（PM1），另外一個(gè)通道采樣檢測(cè)2.5μm以上的粒子的值（PM2），那么最終的采樣值PML=PM1-PM2，這就是PM2.5的計(jì)算，同樣，PM10的計(jì)算就是用大于2.5μm的粒子值減去大于10μm的粒子值。

3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

系統(tǒng)中，通過(guò)PM2.5監(jiān)測(cè)平臺(tái)這個(gè)模塊對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)入庫(kù)存儲(chǔ)，并能夠完成數(shù)據(jù)的查詢(xún)分析。采集到的數(shù)據(jù)，海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在監(jiān)測(cè)平臺(tái)的分布式文件系統(tǒng)中，部分?jǐn)?shù)據(jù)因?yàn)樾枰鎯?chǔ)于關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中。用戶(hù)通過(guò)電腦終端或手機(jī)APP進(jìn)行查詢(xún)時(shí)，監(jiān)測(cè)平臺(tái)首先對(duì)前端設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，得到需要查詢(xún)的信息后，把需要的信息封裝成與數(shù)據(jù)庫(kù)端相合的協(xié)議，再調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)提供的接口對(duì)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行查詢(xún)。數(shù)據(jù)庫(kù)端查詢(xún)完畢后將二進(jìn)制形式的結(jié)果存放在指定文件中。接口服務(wù)器收到信號(hào)，讀取文件，并將結(jié)果封裝成字符串發(fā)送到前臺(tái)界面顯示。圖5為電腦終端顯示的某時(shí)段查詢(xún)提供的PM各項(xiàng)數(shù)據(jù)以及通過(guò)分析給出相關(guān)提示，如首要污染物、對(duì)健康影響情況和建議采取的措施等。圖6為用戶(hù)用手機(jī)APP查詢(xún)到的本地24小時(shí)空氣質(zhì)量指數(shù)趨勢(shì)圖。

圖5 PM2.5及空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）

圖6 丹東24小時(shí)空氣質(zhì)量指數(shù)趨勢(shì)圖

本系統(tǒng)的霧霾監(jiān)測(cè)平臺(tái)，可以集成PM2.5、PM10、溫度、濕度等多項(xiàng)指標(biāo)，數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)同步到手機(jī)和電腦端，測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確而穩(wěn)定。圖7所示為一些時(shí)段本系統(tǒng)發(fā)布的數(shù)據(jù)和環(huán)保部門(mén)發(fā)布數(shù)據(jù)的比較折線(xiàn)圖，數(shù)據(jù)差別并不明顯。

圖7 實(shí)時(shí)PM2.5數(shù)據(jù)比較

4 結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)PM數(shù)據(jù)采集終端安裝時(shí)，應(yīng)合理選擇安裝位置，應(yīng)考慮人們?nèi)罕娋幼　⒒顒?dòng)或者交通干道等區(qū)域。設(shè)備安裝位置應(yīng)該距離地面1～2 m左右，應(yīng)保持設(shè)備周?chē)L(fēng)順暢，應(yīng)保障設(shè)備有持續(xù)穩(wěn)定的市電供應(yīng)。服務(wù)器應(yīng)持續(xù)高效穩(wěn)定，具有足夠多的硬盤(pán)空間（每個(gè)終端一天約產(chǎn)生60K的數(shù)據(jù)量），并做定期數(shù)據(jù)清理。一個(gè)城市安裝的PM數(shù)據(jù)采集終端達(dá)到一定密度后，將會(huì)形成一個(gè)全市的PM數(shù)據(jù)采集網(wǎng)，可以實(shí)時(shí)地向群眾提供在線(xiàn)的空氣PM值的發(fā)布和出行建議服務(wù)。同時(shí)該數(shù)據(jù)還可以供環(huán)保、交通等部門(mén)參考使用。

數(shù)據(jù)采集終端經(jīng)過(guò)擴(kuò)展還可以加裝溫度、濕度數(shù)據(jù)傳感器，同樣可以將一個(gè)地點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度和濕度數(shù)據(jù)信息發(fā)送到服務(wù)器進(jìn)行發(fā)布，這樣系統(tǒng)將可以向用戶(hù)提供更多更準(zhǔn)確的地域性相關(guān)的空氣質(zhì)量和溫、濕度數(shù)據(jù)了。

［1］郝吉明.中國(guó)大氣PM2.5污染防治策略與技術(shù)途徑［M］.北京：科學(xué)出版社，2016.

［2］杜世勇.PM2.5監(jiān)測(cè)方法與應(yīng)用 ［M］.北京：科學(xué)出版社，2017.

［3］李振華等分布式無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法 ［J］.自動(dòng)化儀表，2010（5）：1.

［4］陶卓.基于DSM501傳感器的大氣顆粒物濃度監(jiān)測(cè)裝置參數(shù)整定 ［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2015，23（4）:1.

Application of distributed data collection system in small area smog testing

CHEN Song，DONG Xiao-Ying
（School of Information Engineering，Eastern Liaoning University，Dandong 118003，China）

To reduce the error caused by temperature and air humidity,stabilize the measuring accuracy of the sensor and popularize the smog testing device for small area,a civilian-use data collection sensor was designed.The STC15F2K08S2-SOP28 single-chip processor was used as the processor of the hardware platform.The data was transmitted by GPRS.The practical results show that,with this sensor,the real-time PM data in a small area can be obtained with an APPand they can complement the detection data acquired by the existing environmental protection departments.

smog；PM data；sensor

TP 303；G 624.0

A

1673-4939（2017）04-0267-04

10.14168/j.issn.1673-4939.2017.04.09

2017-07-04

陳 松（1968—），女，遼寧丹東人，碩士，教授，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用與教學(xué)。

（責(zé)任編輯：龍海波）