分布式數據采集系統(tǒng)在小范圍霧霾檢測中的應用

陳 松， 董曉瑩

分布式數據采集系統(tǒng)在小范圍霧霾檢測中的應用

陳 松， 董曉瑩

（遼東學院信息工程學院，遼寧 丹東 118003）

為解決溫度和空氣濕度對測試結果引起誤差問題、傳感器測試精度不穩(wěn)定問題，以及目前城市小范圍霧霾檢測設備的普及不足問題，對目前國內外PM2.5檢測采用的手段、方法和設備進行了比較，設計了一款基于民用級的數據采集傳感器，使用GPRS無線數據傳輸，選擇STC15F2K08S2-SOP28型單片機作為硬件平臺的處理器，通過實際應用反饋，系統(tǒng)滿足功能要求，既能通過手機APP實時了解小范圍內的PM值，又能和現有的環(huán)保部門監(jiān)測數據形成互補。

霧霾；PM值；傳感器

隨著我國現代化進程的不斷深入，環(huán)境問題逐漸影響到了每個中國人。近些年來霧霾幾乎覆蓋了我國的大部分城市。我國的絕大多數城市也都設立了霧霾檢測機構，并每天發(fā)布空氣質量預報。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值不會相同，甚至會有較大差距。群眾對居住地和生活周圍地區(qū)的空氣質量情況越來越關心。

進口一套霧霾檢測設備大約需要10多萬美金，國產設備價格也是幾十萬人民幣不等。要想在城市各個區(qū)域都能部署監(jiān)測站點，需要的資金投入是很高的。因此，有必要開發(fā)功能可靠、實用價廉的霧霾檢測系統(tǒng)，既能方便了解小范圍內的PM值，又能和現有的環(huán)保部門監(jiān)測數據形成互補，對改善環(huán)境有參考意義。

開發(fā)廉價實用的小范圍定點區(qū)域PM2.5監(jiān)測系統(tǒng)與環(huán)保部門監(jiān)測站點的監(jiān)測方式互相合作，不但能滿足公眾對環(huán)境認知的要求，而且也降低政府成本投入，擁有廣闊的市場前景。

目前主流的PM值監(jiān)測技術主要有三種方法：稱重法、微量振蕩天平法和β射線法［1］。經世界各國的權威檢測機構及第三方監(jiān)測機構的測試，這三種方法中，微量振蕩天平技術與標準重量法數據的相關性最佳［2］。當然，采用這些技術對相關設備的要求也高，價格不菲。

為了降低成本，普及PM2.5，讓公眾能隨時隨地了解空氣質量，文章研究了一款適用于小范圍霧霾檢測的分布式數據采集系統(tǒng)，監(jiān)測技術是利用紅外光散射法以及處理模塊來測定大氣顆粒物濃度，測定速度較快，操作也簡單。

系統(tǒng)將移動互聯網GPRS、GPS定位、PM數據采集等技術集成起來，用于城市PM大數據的實時采集。增加城市中輕便型民用PM數據采集裝置的安裝數量，提高PM數值的采集密度，將實時采集到的數據通過移動互聯網上傳到服務器上。再通過APP、WEB等技術手段分享出去，供人們出行參考，或用于城市霧霾的實時精確監(jiān)控。

1 系統(tǒng)架構

系統(tǒng)包括：數據采集平臺、數據監(jiān)測處理平臺和監(jiān)測應用平臺3部分。

數據采集前端設備負責采集PM2.5和PM10的濃度數據，然后通過GPRS網絡傳送數據到數據接收服務器上進行數據初步處理，再經過數據立方系統(tǒng)，進行存儲和計算，最后由WEB服務器進行數據的最后處理和公布，用戶可通過手機APP軟件或者電腦網頁隨時查詢指定地區(qū)PM數值（見圖1）。

圖1 系統(tǒng)總體架構圖

1.1 數據采集部分

數據采集部分包括采集前端設備、通信設備和電源。

前端設備采用先進的傳感器、低功耗單片機技術與網絡通訊技術相結合，使用探頭來進行采集相關的數據，通過光散射獲取顆粒濃度。通信主要是通過GPRS進行數據的無線傳輸。每個前端設備都有一個SIM卡進行通信，SIM卡使用GPRS業(yè)務。供電是鋰電池和市電互補的供電方式（見圖 2）。

圖2 為前端設備實物圖

1.2 數據監(jiān)測處理平臺部分

數據監(jiān)測處理平臺是介于采集平臺和應用平臺之間的系統(tǒng)，從架構來看，包括實時數據存儲、過期數據處理、數據分析等功能模塊。PM2.5數據全部存儲在監(jiān)測平臺的分布式文件系統(tǒng)中，部分為方便查詢存儲于關系數據庫中。

1.3 監(jiān)測應用平臺部分

監(jiān)測應用平臺部分包括監(jiān)控PM2.5實時數據、數據查詢等功能模塊。如果監(jiān)控范圍比較大，數據量就會很大，就需要多臺服務器并行處理。

2 系統(tǒng)實現

2.1 PM數據采集終端硬件系統(tǒng)

由于硬件平臺需要同時連接PM傳感器和GPRS通訊模塊，因此選擇STC15F2K08S2-SOP28型單片機作為硬件平臺的處理器，該處理器具有兩個串口可以同時連接兩個串口設備。供電系統(tǒng)采用5 V/2 A的電源適配器，為單片機主板和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。為方便巡查設置了三個工作指示燈，一個是電源指示紅色，燈亮代表系統(tǒng)供電正常處于工作中；一個是采集指示燈綠色，當主機收到PM傳感器輸送的PM數值時，該指示燈點亮；一個是數據發(fā)送指示燈綠色，當主機板向GPRS通訊模塊發(fā)送數據時，該指示燈點亮；工作流程：工作時，PM傳感器每1.5 s左右向主機發(fā)送PM數據（采集指示燈點亮），主機板對該數據進行加權平均計算，當累計到一分鐘時，主機板向GPRS通訊模塊發(fā)送數據，數據包括PM2.5和PM10的一分鐘內平均值以及本機所在經緯度數據（此時數據發(fā)送指示燈點亮），GPRS通訊模塊會將數據通過互聯網發(fā)送給預設的服務器IP地址和端口。PM數據采集終端主機圖（見圖3）。

2.2 傳感器數據采樣原理

系統(tǒng)對空氣中顆粒數據濃度的采集主要是通過傳感器。該傳感器利用PWM脈沖寬度調制輸出，計算與粒子計算器原理相同，檢測單位體積上顆粒的個數。傳感器的原理結構。（見圖4）

圖4 傳感器的原理結構圖

傳感器內置加熱器，能夠自動吸入空氣，發(fā)射的光線遇到空氣中的顆粒會產生反射光，顆粒大小不同光的強度不同，利用光和透鏡的原理，傳感器可檢測到光的強度，然后輸出信號，將光的強度信號轉換為兩個不同的脈寬調制信號PWM，以區(qū)分不同灰塵顆粒物的濃度。

2.3 采樣數據的計算

當帶有灰塵的空氣穿過檢測通道時，粉塵對光反射，光反射強度與灰塵濃度成正比。傳感器把光的強弱信號轉換成電的脈寬調制信號（PWM），通過獲取低電平的占空比，獲取到相關參數，得出顆粒物的等效粒徑及單位體積內不同粒徑的顆粒物數量［3］。

PM2.5指的是空氣中空氣動力學當量直徑小于等于2.5μm的顆粒物，而直徑大于2.5小于10 μm的顆粒值稱為PM10［4］。

這樣，就需要采集傳感器兩個通道的值，一個通道采樣1μm以上的粒子的值（PM1），另外一個通道采樣檢測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的計算，同樣，PM10的計算就是用大于2.5μm的粒子值減去大于10μm的粒子值。

3 數據統(tǒng)計分析

系統(tǒng)中，通過PM2.5監(jiān)測平臺這個模塊對采集到的數據進行實時入庫存儲，并能夠完成數據的查詢分析。采集到的數據，海量數據存儲在監(jiān)測平臺的分布式文件系統(tǒng)中，部分數據因為需要存儲于關系數據庫中。用戶通過電腦終端或手機APP進行查詢時，監(jiān)測平臺首先對前端設備采集到的數據進行解析，得到需要查詢的信息后，把需要的信息封裝成與數據庫端相合的協(xié)議，再調用數據庫提供的接口對后臺數據庫進行查詢。數據庫端查詢完畢后將二進制形式的結果存放在指定文件中。接口服務器收到信號，讀取文件，并將結果封裝成字符串發(fā)送到前臺界面顯示。圖5為電腦終端顯示的某時段查詢提供的PM各項數據以及通過分析給出相關提示，如首要污染物、對健康影響情況和建議采取的措施等。圖6為用戶用手機APP查詢到的本地24小時空氣質量指數趨勢圖。

圖5 PM2.5及空氣質量指數（AQI）

圖6 丹東24小時空氣質量指數趨勢圖

本系統(tǒng)的霧霾監(jiān)測平臺，可以集成PM2.5、PM10、溫度、濕度等多項指標，數據可實時同步到手機和電腦端，測試數據準確而穩(wěn)定。圖7所示為一些時段本系統(tǒng)發(fā)布的數據和環(huán)保部門發(fā)布數據的比較折線圖，數據差別并不明顯。

圖7 實時PM2.5數據比較

4 結語

系統(tǒng)PM數據采集終端安裝時，應合理選擇安裝位置，應考慮人們群眾居住、活動或者交通干道等區(qū)域。設備安裝位置應該距離地面1～2 m左右，應保持設備周圍通風順暢，應保障設備有持續(xù)穩(wěn)定的市電供應。服務器應持續(xù)高效穩(wěn)定，具有足夠多的硬盤空間（每個終端一天約產生60K的數據量），并做定期數據清理。一個城市安裝的PM數據采集終端達到一定密度后，將會形成一個全市的PM數據采集網，可以實時地向群眾提供在線的空氣PM值的發(fā)布和出行建議服務。同時該數據還可以供環(huán)保、交通等部門參考使用。

數據采集終端經過擴展還可以加裝溫度、濕度數據傳感器，同樣可以將一個地點的實時溫度和濕度數據信息發(fā)送到服務器進行發(fā)布，這樣系統(tǒng)將可以向用戶提供更多更準確的地域性相關的空氣質量和溫、濕度數據了。

［1］郝吉明.中國大氣PM2.5污染防治策略與技術途徑［M］.北京：科學出版社，2016.

［2］杜世勇.PM2.5監(jiān)測方法與應用 ［M］.北京：科學出版社，2017.

［3］李振華等分布式無線數據采集系統(tǒng)的實現方法 ［J］.自動化儀表，2010（5）：1.

［4］陶卓.基于DSM501傳感器的大氣顆粒物濃度監(jiān)測裝置參數整定 ［J］.計算機測量與控制，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：計算機應用與教學。

（責任編輯：龍海波）