揚塵在線監(jiān)測系統(tǒng)研究獲獎科研報告

揚塵在線監(jiān)測系統(tǒng)研究獲獎科研報告【摘

要】改革開放以來，我國的經(jīng)濟得到了快速的發(fā)展，而高速的發(fā)展必然會帶來環(huán)境的污染。其中大氣污染狀況日益突出。而隨著不同地區(qū)污染物排放量的不斷增加，對環(huán)境污染監(jiān)控和治理也增大了難度，從而需要投入大量的人員對污染源的出處進行排查。而排查的不全面，信息反饋的不夠及時等原因也會造成從根本上改善大氣污染問題。因此我們便引入了無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對容易產(chǎn)生大氣污染的地區(qū)進行實時監(jiān)控，并及時反饋從而高效地解決大氣污染問題。

【關(guān)鍵詞】環(huán)境污染;污染監(jiān)控;無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù);實時監(jiān)控

引言

揚塵污染是城市施工等過程中排放的治理難度大的且沒有具體某一類型產(chǎn)生源的污染物;例如：施工時工人或設(shè)備帶來的一次污染，以及物料運輸與車輛所散落的工地材料所造成的二次污染。揚塵排放的比例大、高度低，主要集中于城市人口密集的地區(qū);雖然我國對于施工監(jiān)管，防控布控點多、力度大，但目前大氣揚塵污染的監(jiān)管的方法還停留在實地調(diào)查、檢測等的方式，單憑人力監(jiān)管具有工作量大、反饋信息不及時等缺點，無法實時了解某地區(qū)的大氣揚塵污染狀況。所以為了解決這一弊端，就需要利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)知識，打造一種能夠?qū)δ繕说貐^(qū)的大氣揚塵進行不間斷監(jiān)測的系統(tǒng)，基于物聯(lián)網(wǎng)的揚塵監(jiān)測具有顯著優(yōu)勢，以便管理人員能夠快速發(fā)現(xiàn)違法現(xiàn)象，解決現(xiàn)實問題。

1總體設(shè)計

首先，要想設(shè)計出實時監(jiān)控揚塵的系統(tǒng)，我們就要清楚我們憑借什么得出該地區(qū)存在揚塵污染。這就需要借助揚塵方面的知識，揚塵種類繁多，主要有道路揚塵，工地揚塵等一些沒有組織的污染物，而PM2.5中大部分是揚塵。那么對揚塵的不間斷監(jiān)測固然不能缺少一些重要的指標及環(huán)境參數(shù)：如TSP、濕度、PM2.5、PM10、噪聲、風向風速等因素。不同方面的影響要綜合考慮，通過傳感器對不同因素的數(shù)據(jù)進行不間斷采集并上傳，單片機處理后，經(jīng)由Zigbee網(wǎng)關(guān)，上位機接收到采集的數(shù)據(jù)，根據(jù)各部分的作用將這些不同因素的采集的數(shù)據(jù)與監(jiān)控的視頻等融合在一起，從多個層面看待，數(shù)據(jù)會不間斷地顯示在我們所設(shè)立的監(jiān)測界面上，根據(jù)數(shù)據(jù)分析環(huán)境情況，如有異常即報警等。也就是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無線數(shù)據(jù)采集并傳輸，將數(shù)據(jù)由無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳送至遠程進行監(jiān)控。這樣就能有效監(jiān)控目標地區(qū)的揚塵污染狀況。

2主要內(nèi)容及關(guān)鍵技術(shù)

2.1設(shè)計框架

系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)：

本系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)監(jiān)測與采集部分、數(shù)據(jù)處理部分、數(shù)據(jù)傳輸與接收部分、LED屏顯示部分、電源部分、視頻參數(shù)融合組成。如：

2.1.1數(shù)據(jù)監(jiān)測與采集部分

揚塵監(jiān)測采集，噪聲檢測采集等部分組成無線傳感器節(jié)點。監(jiān)測噪聲，對噪聲的連續(xù)監(jiān)測提高了傳感器的精度。在特定的時間間隔收集灰塵并上傳到服務(wù)器，統(tǒng)計、分析由后臺系列程序來完成。PM10和PM2.5是需要監(jiān)測的參數(shù)。如何測量大氣揚塵？

（1）濾膜稱重法

通過切割器對氣體進行采樣，采樣后通過稱量靜電濾膜的質(zhì)量增量來獲取吸附顆粒物的質(zhì)量，然后根據(jù)采樣的流量和時間，通過公式可計算出粉塵顆粒物的濃度。

優(yōu)點：測量結(jié)果可靠高、受干擾因素少、誤差小;

缺點：手工操作、步驟繁瑣、工作量大、耗時長、無法在線測量、無法滿足實時性的要求。

（2）壓電晶體法

通過對顆粒物進行放電操作將顆粒物沉積并吸附在測量振蕩器的表面;由于振蕩器的振蕩頻率與其質(zhì)量成負相關(guān)，因此可以通過振蕩頻率的變化量來實現(xiàn)對顆粒物質(zhì)量濃度的測量;壓電晶體法可以實現(xiàn)分段連續(xù)自動測量，但是由于需要定期清理振蕩器電極，導致了其采樣率不穩(wěn)定。

（3）光散射法

將光束通過顆粒物空間，利用顆粒物和入射光的相互作用：光的散射和吸收現(xiàn)象;將散射和吸收能量的和作為消光值，通過該值計算出顆粒物的粒徑和濃度等信息。

優(yōu)點：可測量的粒徑范圍寬、自動連續(xù)測量效果好。

2.1.2數(shù)據(jù)處理部分

通過節(jié)點模塊將單片機接收的數(shù)據(jù)再通過收發(fā)模塊進行收發(fā)，外設(shè)選取不同引腳突出了靈活性。

2.1.3LED傳輸顯示及報警

可以實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，再LED上隨時顯現(xiàn)，通過這種方式提醒施工單位與人員、城市的居民;同時可以讓施工單位、人員和城市的居民能夠自我警覺，加以改正;噪聲、揚塵哪一方面不符合標準則自行改正。

2.1.4電源部分

太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，可以為系統(tǒng)存儲電能，經(jīng)過電源轉(zhuǎn)換，穩(wěn)壓等，為不同模塊、部分提供電源支撐。

2.1.5視頻參數(shù)融合部分

將某地區(qū)環(huán)境和測得的參數(shù)聯(lián)系起來，環(huán)境參數(shù)會以自己想要的形式凸顯于視頻畫面上，這樣就和視頻一同存儲，清楚明了。

工地人員通過該系統(tǒng)對是否存在違規(guī)一目了然，可以隨時對自己所處地區(qū)工作狀況加以調(diào)整，實時鞭策自己。

2.2關(guān)鍵技術(shù)

揚塵監(jiān)測系統(tǒng)在信息傳輸技術(shù)方面主要運用了無線通信技術(shù)，無線通信是電磁波信號在傳播過程中交換信息的有成效的通信手段。無線通信技術(shù)益處明顯，它具有較低的成本，物理線路和電纜都不用，且它適應(yīng)力強，在很多環(huán)境因素下依然不遜色。傳統(tǒng)的有線通信的設(shè)置、維修都很繁瑣，而通過遠程診斷可以完成維修無線網(wǎng)絡(luò)，簡單易行。

在近程數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中Zigbee網(wǎng)關(guān)起到作用，ZigBee是一種無線通信技術(shù)。其特點是距離近、功耗低。它的傳輸?shù)木嚯x一般是10-100m;大體用在樓房、居房的控制、工業(yè)上的一般自動化控制、關(guān)于農(nóng)業(yè)方面的信息的收集與控制、共用地方的信息的檢測與控制、智能的標簽等方面，它可以用在多種設(shè)備上。

在距離相對遠的數(shù)據(jù)傳輸則Zigbee-GPRS網(wǎng)關(guān)起到作用，GPRS是一種立足于GSM通信系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)，別名通用無線分組業(yè)務(wù)，它主要被應(yīng)用于線路建設(shè)相對困難和離城市較遠的地