基于GNSS的空間PM2.5檢測系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

張健琿,楊國林,邵明， 安旭偉,張波,

（１．蘭州交通大學(xué)測繪與地理信息學(xué)院，甘肅蘭州730070；2．甘肅省地理國情監(jiān)測工程實驗室，甘肅蘭州730070；3．河南科技學(xué)院信息工程學(xué)院，河南新鄉(xiāng)453000）

0 引 言

PM2．5濃度是人們非常關(guān)注的空氣質(zhì)量指標(biāo)之一．PM2．5又稱細(xì)顆粒，是指空氣中空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于2．5μｍ 的顆粒物[1－3]，一般含有大 量的有毒、有害物質(zhì)，加上它在大氣中的停留時間長、輸送距離遠(yuǎn)，因而對大氣空氣質(zhì)量和人體健康的影響都非常大。國內(nèi)外學(xué)者對ＰＭ２．５的產(chǎn)生、空間分布和抑制消除方法都進(jìn)行了許多研究，并取得 了一定的成果[4-5]．

針對PM2．5空氣污染物空間檢測難度大、傳統(tǒng)檢測靈活性低等缺點，提出了基于GNSS的空間PM2．5檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)包括主控、PM2．5傳感器、GNSS 定位模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)記錄模塊、4G網(wǎng)絡(luò)模塊等部分。該系統(tǒng)不僅能實現(xiàn)PM2.5濃度的移動檢測，而且能夠?qū)舛刃畔⑴c空間位置信息進(jìn)行匹配，拓展了空氣質(zhì)量監(jiān)測的作業(yè)空間，提高了作業(yè) 方式的靈活性，能應(yīng)用于空氣質(zhì)量空間分布的動態(tài)分析、實時道路空氣情況預(yù)報和消防救災(zāi)等領(lǐng)域[6-7]．

1 系統(tǒng)工作原理及實現(xiàn)

本系統(tǒng)以單片機為核心，結(jié)合傳感器、網(wǎng)絡(luò)通信和計算機等技術(shù)[8-9]，完成了PM2.5濃度檢測、位置信息提取和數(shù)據(jù)匹配等工作，最后利用4G網(wǎng)絡(luò) 模塊和記錄模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送和存儲，為后續(xù)數(shù)據(jù)分析及處理提供了條件．

1.1 系統(tǒng)工作流程

本系統(tǒng)的工作流程為：接通電源，系統(tǒng)的各部分完成初始化配置后，PM2．5傳感器及GNNSS定位模塊同時開始工作，它們不斷地將檢測到的顆粒物濃度和定位的原始信息發(fā)送給單片機主控；主控調(diào)整內(nèi)部工作次序進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和處理，處理過程包括解析、匹配和發(fā)送等步驟；最后將處理后的數(shù)據(jù)利用4G網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)行上傳，或者利用數(shù)據(jù)記錄模塊進(jìn)行保存，從而完成對空間特定點PM2.5濃度 的檢測和記錄．

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由主控、PM2．5傳感器、GNSS定位模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)記錄模塊、4G網(wǎng)絡(luò)模塊等部分組成．其中數(shù)據(jù)記錄模塊和4G網(wǎng)絡(luò)模塊都支持?jǐn)?shù)據(jù)透明傳輸，可以根據(jù)需要選擇其中的一個或者兩 個，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示．

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1.3 主控模塊電路設(shè)計

根據(jù)需求優(yōu)選出了較為經(jīng)濟合理的方案，選用的單片機主控為STC12C5A60S2，它是8051家族的成員，具有高速、低功耗、性能穩(wěn)定、超強抗干擾等優(yōu)點，完全適合工業(yè)級別的指令集以及輸出管腳分布．另外它有兩個串行端口，能夠滿足本系統(tǒng)設(shè)計的需求[10-11]．

最小系統(tǒng)是單片機保持正常工作的簡單電路．本設(shè)計的最小系統(tǒng)電路包含電源電路、復(fù)位電路、時鐘電路和UBS下載電路等四個部分，其中電源電路、復(fù)位電路、時鐘電路是保證單片機正常工作 最基本的電路，本設(shè)計最小系統(tǒng)如圖2所示．

1）電源電路．單片機的VCC引腳和GND引腳分別連接直流電源的正極和負(fù)極，通過在兩電源引腳之間連接電容的方式來抑制雜波串?dāng)_，確保電路的穩(wěn)定．

2）時鐘電路．晶振頻率決定著單片機的工作頻率，STC12C5A60S2單片機的工作頻率在2～3ＭＨｚ范圍，一般選取11.0592MHｚ．

3）復(fù)位電路．可通過按復(fù)位按鈕的方法使單片機進(jìn)行快速復(fù)位．

4）USB下載電路．利用USB／TTL工具連接UART 接口，通過ISP下載方式來實現(xiàn)單片機程序的燒寫．

圖２ 最小系統(tǒng)圖

1．4 GNSS定位模塊和PM2.5傳感器電路設(shè)計

GNSS定位模塊支持北斗、GPS和GLONASS等多模衛(wèi)星系統(tǒng)[12-13]，同時帶有SMA和IPEX兩種天線接口，方便用戶選擇需要的外置天線．模塊采用3.3～5V供電，可掉電記憶波特率和幀數(shù)據(jù)等設(shè)置信息．模塊有定位導(dǎo)航、內(nèi)置天線檢測及天線短路保護(hù)等功能．另外模塊具有PPS授時輸出引腳，可以做時鐘同步等應(yīng)用．GNSS定位模塊應(yīng)用電路如圖3所示．

PM2.5傳感器采用激光散射原理[14-15]對PM2．5及OM10的濃度進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果以十六進(jìn)制數(shù)據(jù)報文的形式通過串口發(fā)送給單片機主控，報文包62 全 球 定 位 系 統(tǒng)第43卷 括報文頭、指令號、PM2.5高低字節(jié)、PM10高低字節(jié)、傳感器ID、校驗和、報文尾等部分．假設(shè)PM2.5和PM10的高字節(jié)對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)值分別為X和V，低字節(jié)分別為Y 和W，通過式（1）、式（2）可以分別計算出PM2．5和PM10的濃度值E和F，單位為μｇ／ｍ3．

E=［[(X×256)+Y］／10

（1）

F=[(V×256）+W ]／10．

（2）

過程不發(fā)生失真，其應(yīng)用電路如圖３所示（注：GNSS定位模塊和PM2.5傳感器電路放在同一個圖中）

圖3 GNSS定位模塊和PM2.5傳感器電路圖

1.5 4G網(wǎng)絡(luò)模塊和數(shù)據(jù)記錄模塊電路設(shè)計

根據(jù)應(yīng)用場景可以選擇4G網(wǎng)絡(luò)模塊或者是數(shù)據(jù)記錄模塊，4G網(wǎng)絡(luò)模塊和數(shù)據(jù)記錄模塊都支持?jǐn)?shù)據(jù)透明傳輸．?dāng)?shù)據(jù)記錄模塊將串口送來的數(shù)據(jù)以txt文件形式存儲于模塊上的SD卡中，在連接USB端口時該模塊仿真成U盤，可直接讀取文件，也可將SD卡卸下由讀卡器讀出文件．4G網(wǎng)絡(luò)模塊配合SIM流量卡使用，支持多種LTE頻段，向下兼容4G和2G網(wǎng)絡(luò)，通過移動網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)以特定的形式發(fā)送到指定網(wǎng)絡(luò)端口[16]．應(yīng)用電路如圖4所示（注：4G網(wǎng)絡(luò)模塊和數(shù)據(jù)記錄模塊電路放在同一個圖中）．

圖4 4G網(wǎng)絡(luò)模塊和數(shù)據(jù)記錄模塊電路圖

1.6 系統(tǒng)軟件設(shè)計

主程序調(diào)用各個子程序的C語言文件中定義的函數(shù)，實現(xiàn)PM2．5傳感器和GNSS定位模塊的初始化、數(shù)據(jù)處理匹配、發(fā)送等操作，最后將處理完成的數(shù)據(jù)交由數(shù)據(jù)記錄模塊存儲或者由4G 網(wǎng)絡(luò)模 塊上傳，主程序流程如圖5所示．（中斷服務(wù)是數(shù)據(jù)解析中的獨立步驟，不需要連接）

圖5 系統(tǒng)主程序流程圖

2 性能測試

經(jīng)過電路板的設(shè)計、制作、焊接和檢查后，接通電源，測試各器件的基本電氣特性．測試包括以下三步：

1）在單片機STC12C5A60S2中依次寫入單個模塊的測試程序，測試各軟件及對應(yīng)硬件的工作性能，然后對完整的系統(tǒng)性能進(jìn)行測試，試驗獲得的 部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示．

2）通過沿著固定直線緩慢移動的方式對系統(tǒng)的定位精度進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖6所示。圖中直線為實際移動軌跡，點是實際系統(tǒng)定位的結(jié)果，坐標(biāo)軸以秒為單位．

圖6 定位精度測試

3）在實驗室環(huán)境中對本系統(tǒng)PM2.5檢測的精度進(jìn)行測試，首先獲得多組空氣樣本，然后將同一樣本分為兩份，分別利用重量法和本系統(tǒng)多次測得其PM2.5及PM10的含量值，最后將多組測試結(jié)果 進(jìn)行對比．經(jīng)統(tǒng)計其誤差為±10μｇ／ｍ3．

經(jīng)測試，本系統(tǒng)基本電氣特性及性能指標(biāo)如表2所示．

表1 數(shù)據(jù)示例

表2 基本電氣特性及性能測試結(jié)果

3 實際應(yīng)用案例

基于GNSS的PM2.5空間檢測系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)空氣質(zhì)量檢測的空間范圍小、作業(yè)方式單一和靈活性低等缺點，應(yīng)用領(lǐng)域包括但不限于以下三個方面：

１）構(gòu)建PM2.5空間分布模型．在系統(tǒng)設(shè)計中選64 全 球 定 位 系 統(tǒng)第43卷取數(shù)據(jù)記錄模塊，利用無人機搭載該系統(tǒng)進(jìn)行空間顆粒物濃度的檢測，以道路為中心選取某一區(qū)域進(jìn) 行研究．區(qū)域的長和寬分別100ｍ和60ｍ，以道路中心線為橫軸，以垂直于道路為縱軸，無人機飛行的起始點為橫軸0，縱軸－30坐標(biāo)處，單位為ｍ．經(jīng)過航線規(guī)劃、數(shù)據(jù)采集、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等步驟，建立的PM2.5短時分布模型如圖7所示，圖中PM2.5濃度單位為μｇ／ｍ3．

2）道路實時空氣狀況圖．在系統(tǒng)設(shè)計中選取4G網(wǎng)絡(luò)模塊，利用公共交通設(shè)備搭載該系統(tǒng)進(jìn)行道路實時顆粒物濃度的檢測．選取某區(qū)域為研究對象，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理分析、圖形繪制等，建立的道路實時空氣狀況如圖8所示．

3）消防救災(zāi)．本系統(tǒng)具有體積小、重量輕、工作穩(wěn)定靈活等優(yōu)點，可安裝在無人機、公共交通和消防機械等設(shè)備上，從而可以應(yīng)用于突發(fā)空氣質(zhì)量事件應(yīng)急及消防等領(lǐng)域．

圖7 PM2.5濃度分布圖

圖8 道路實時空氣狀況圖

4 結(jié)束語

現(xiàn)代社會，人們對美好生活的向往越來越強烈，對生活環(huán)境的關(guān)注度也越來越高．本系統(tǒng)以單片機為核心，結(jié)合傳感器、計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)了基于GNSS的空間PM2.5Ｐ檢測系統(tǒng)設(shè)計．帶有位 置信息的PM2.5濃度數(shù)據(jù)能夠在特定工作環(huán)境中發(fā)揮重要作用．本系統(tǒng)大大拓展了傳統(tǒng)空氣監(jiān)測的范圍和靈活性，在PM2.5時空分布發(fā)展研究、道路實時空氣狀況監(jiān)測和消防救災(zāi)等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景．