道路施工揚(yáng)塵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳靖江 李昊 劉杰

摘 要：道路施工具有施工點(diǎn)多、線路長和環(huán)保質(zhì)量要求高等特點(diǎn)。由于戶外不可控環(huán)境因素較多，因此施工過程中極易產(chǎn)生揚(yáng)塵。本文根據(jù)道路施工揚(yáng)塵產(chǎn)生特點(diǎn)，結(jié)合GPRS無線通信技術(shù)以及單片機(jī)控制技術(shù)，設(shè)計(jì)出一套由揚(yáng)塵采集設(shè)備、信息傳輸設(shè)備以及監(jiān)測(cè)中心組成的道路施工揚(yáng)塵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用激光揚(yáng)塵傳感器自動(dòng)采集揚(yáng)塵數(shù)據(jù)，利用無線傳輸網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，利用單片機(jī)對(duì)各點(diǎn)PM2.5和PM10數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，不僅解決了道路施工過程中揚(yáng)塵多點(diǎn)有線監(jiān)測(cè)時(shí)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)煩瑣的問題，而且實(shí)現(xiàn)了揚(yáng)塵數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能，便于用戶隨時(shí)調(diào)出。

關(guān)鍵詞：道路施工;揚(yáng)塵;監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：X799.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）01-0022-03

Abstract： Road construction has the characteristics of many construction points， long lines and high environmental quality requirements. Due to many uncontrollable outdoor environmental factors， dust is easily generated in the construction process. According to the characteristics of road construction dust， combined with GPRS wireless communication technology and single chip microcomputer control technology， this paper designed a set of road construction dust monitoring system composed of dust collection equipment， information transmission equipment and monitoring center. The system uses laser dust sensor to automatically collect dust data， uses wireless transmission network to realize data transmission， and uses single chip microcomputer to monitor and analyze PM2.5 and PM10 data of each point. It not only solves the problem of data statistics in multi-point wired monitoring of dust during road construction， but also realizes the storage function of dust data， which is convenient for users to call out at any time.

Keywords： road construction;dust;monitoring system

隨著我國城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)，道路施工建設(shè)數(shù)量呈上升趨勢(shì)[1]。一般來說，道路施工具有施工點(diǎn)多、線路長、施工工期長、環(huán)保質(zhì)量要求高等特點(diǎn)[2]，加之戶外作業(yè)條件下不可控環(huán)境因素較多，在道路施工過程中極易產(chǎn)生揚(yáng)塵。揚(yáng)塵在風(fēng)載下極易擴(kuò)散，進(jìn)而引起局部空氣污染[3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國大部分城市的可吸入顆粒物PM10與細(xì)顆粒物PM2.5已成為我國大氣污染的首要污染物，而這些大氣顆粒污染物，有40%左右來自建筑施工，部分城市甚至達(dá)到了50%。大量揚(yáng)塵顆粒不僅會(huì)對(duì)居民健康造成嚴(yán)重危害，而且會(huì)對(duì)可見度產(chǎn)生較大影響，降低通行效率，甚至造成交通事故。隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視，建立道路施工揚(yáng)塵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成為重要工作。

1 道路施工揚(yáng)塵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)

道路施工揚(yáng)塵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架主要由三部分組成，包括道路施工現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)的揚(yáng)塵數(shù)據(jù)采集設(shè)備、GPRS無線傳輸設(shè)備、監(jiān)控中心數(shù)據(jù)接收和管理設(shè)備。系統(tǒng)的具體框架如圖1所示。施工揚(yáng)塵數(shù)據(jù)采集器是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的前端，主要對(duì)施工環(huán)境因素（如風(fēng)速、風(fēng)向和溫濕度）和揚(yáng)塵信息（PM2.5和PM10）進(jìn)行自動(dòng)采集。與此同時(shí)，各個(gè)采集站點(diǎn)利用GPRS無線通信技術(shù)，將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，監(jiān)控中心對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析。如果施工場(chǎng)地某一站點(diǎn)揚(yáng)塵超出預(yù)設(shè)的警戒值，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，以提醒監(jiān)管部門對(duì)該施工點(diǎn)做降塵處理，實(shí)時(shí)保證環(huán)境安全[4]。另外，監(jiān)控中心還可以保存任意時(shí)間段的揚(yáng)塵數(shù)據(jù)，為揚(yáng)塵分析、治理提供較為準(zhǔn)確的對(duì)比數(shù)據(jù)。

1.1 揚(yáng)塵數(shù)據(jù)采集設(shè)備

揚(yáng)塵數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用激光揚(yáng)塵傳感器。該傳感器具有體積小、測(cè)試速度快、靈敏度高、穩(wěn)定性好和無噪聲污染等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。其基本原理為（見圖2）：半導(dǎo)體激光源發(fā)射出激光，激光通過透鏡穿過觀測(cè)區(qū)域后，觀測(cè)區(qū)域內(nèi)的揚(yáng)塵粒子對(duì)激光產(chǎn)生散射作用，然后再采用散射光采集器收集散射光強(qiáng)，并通過電路進(jìn)行波形調(diào)整，形成統(tǒng)計(jì)樣本顆粒分布濃度，最后通過計(jì)算來反映空氣中顆粒分布濃度，通過串口輸出PM2.5和PM10的濃度值。激光揚(yáng)塵傳感器的參數(shù)見表1。

1.2 GPRS無線傳輸設(shè)備

GPRS無線傳輸設(shè)備主要針對(duì)工業(yè)級(jí)應(yīng)用，是一款內(nèi)嵌GSM/GPRS核心單元的無線Modem，以GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)為傳輸媒介，是一款基于移動(dòng)GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的工業(yè)級(jí)通信終端[5]。該設(shè)備主要利用GPRS業(yè)務(wù)為用戶搭建了一個(gè)超遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)，標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)規(guī)格設(shè)計(jì)，提供RS485標(biāo)準(zhǔn)接口，直接與用戶設(shè)備連接，設(shè)備參數(shù)如表2所示。

1.3 監(jiān)控中心數(shù)據(jù)接收和管理設(shè)備

監(jiān)控中心數(shù)據(jù)接收和管理采用單片機(jī)技術(shù)。單片機(jī)是一個(gè)集合了中央處理器、隨機(jī)存儲(chǔ)器、只讀存儲(chǔ)器、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等諸多功能于一體的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[6]，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。本系統(tǒng)采用單片機(jī)作為道路施工過程中揚(yáng)塵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的微控制單元（Microcontroller Unit，MCU），用于接收分析數(shù)據(jù)，發(fā)送指令。單片機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

運(yùn)行平臺(tái)采用Microsoft XP操作系統(tǒng)，采用組態(tài)軟件對(duì)揚(yáng)塵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。該軟件采用面向?qū)ο蟮姆椒ǎ哂杏脩艚缑媪己?、擴(kuò)展性能強(qiáng)、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

2.1 揚(yáng)塵實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件，可實(shí)時(shí)接收從各個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)傳回的揚(yáng)塵監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。通過軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，顯示不同站點(diǎn)對(duì)應(yīng)的PM2.5和PM10，顯示界面如圖4所示。數(shù)據(jù)更新時(shí)間可根據(jù)程序進(jìn)行設(shè)定，最小更新時(shí)間為1 s。軟件還可以根據(jù)需要設(shè)定揚(yáng)塵閾值，當(dāng)某一站點(diǎn)揚(yáng)塵數(shù)據(jù)超出預(yù)先設(shè)定好的數(shù)值上限，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)人員發(fā)出信息警報(bào)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.2 PM2.5和PM10實(shí)時(shí)變化

為了便于管理者觀測(cè)不同施工道路站點(diǎn)處揚(yáng)塵的歷時(shí)變化，軟件設(shè)計(jì)過程中，加入了揚(yáng)塵實(shí)時(shí)變化曲線界面。管理者可通過該界面觀測(cè)不同站點(diǎn)PM2.5和PM10實(shí)時(shí)變化情況，也可以通過歷史數(shù)據(jù)查詢，分析任意時(shí)間段內(nèi)揚(yáng)塵變化曲線，便于管理者掌握揚(yáng)塵增大出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)，結(jié)合該時(shí)間點(diǎn)施工現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的施工情況，間接分析出致使揚(yáng)塵激增的原因，從而加強(qiáng)施工現(xiàn)場(chǎng)管理，避免類似情況的出現(xiàn)。

2.3 揚(yáng)塵數(shù)據(jù)儲(chǔ)存

通過單片機(jī)軟件功能實(shí)時(shí)接收從監(jiān)測(cè)點(diǎn)傳回的揚(yáng)塵監(jiān)測(cè)信息，經(jīng)過解析后存入采集系統(tǒng)中，系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的揚(yáng)塵監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類整理，并進(jìn)行進(jìn)制轉(zhuǎn)換，生成各種監(jiān)測(cè)報(bào)表，存入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，以方便管理者進(jìn)行查閱和導(dǎo)出。導(dǎo)出的數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔可由管理者自行設(shè)定，該系統(tǒng)可導(dǎo)出最小采集時(shí)間間隔為1 s的數(shù)據(jù)資料。

3 結(jié)語

近年來，隨著我國城市化發(fā)展進(jìn)程不斷加快，空氣顆粒污染物已成為影響城市空氣質(zhì)量最重要的因素之一。因此，減少揚(yáng)塵污染，保護(hù)城市環(huán)境，已成為當(dāng)今環(huán)保工作的主題之一。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，工程施工揚(yáng)塵是造成空氣污染的罪魁禍?zhǔn)字唬こ淌┕ぶ械牡缆肥┕ぞ哂惺┕c(diǎn)多、線路長、施工工期長等特點(diǎn)，施工過程中空氣污染不易監(jiān)測(cè)，無法及時(shí)采取有效的抑塵措施，從而加劇了空氣的污染。因此，在道路施工過程中，如果能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)施工現(xiàn)場(chǎng)的揚(yáng)塵情況，針對(duì)揚(yáng)塵出現(xiàn)的情況對(duì)癥下藥，就能有效防止揚(yáng)塵超標(biāo)，從而達(dá)到改善城市空氣質(zhì)量的目的。基于此，本文根據(jù)道路施工揚(yáng)塵產(chǎn)生的特點(diǎn)，結(jié)合無線通信技術(shù)和單片機(jī)控制技術(shù)，設(shè)計(jì)出了由揚(yáng)塵采集設(shè)備、信息傳輸設(shè)備以及監(jiān)測(cè)中心組成的道路施工揚(yáng)塵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

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