揚(yáng)塵在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究獲獎(jiǎng)科研報(bào)告

揚(yáng)塵在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究獲獎(jiǎng)科研報(bào)告【摘

要】改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)得到了快速的發(fā)展，而高速的發(fā)展必然會(huì)帶來(lái)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(duì)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(duì)污染源的出處進(jìn)行排查。而排查的不全面，信息反饋的不夠及時(shí)等原因也會(huì)造成從根本上改善大氣污染問(wèn)題。因此我們便引入了無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)容易產(chǎn)生大氣污染的地區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并及時(shí)反饋從而高效地解決大氣污染問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】環(huán)境污染;污染監(jiān)控;無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù);實(shí)時(shí)監(jiān)控

引言

揚(yáng)塵污染是城市施工等過(guò)程中排放的治理難度大的且沒(méi)有具體某一類(lèi)型產(chǎn)生源的污染物;例如：施工時(shí)工人或設(shè)備帶來(lái)的一次污染，以及物料運(yùn)輸與車(chē)輛所散落的工地材料所造成的二次污染。揚(yáng)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(guó)對(duì)于施工監(jiān)管，防控布控點(diǎn)多、力度大，但目前大氣揚(yáng)塵污染的監(jiān)管的方法還停留在實(shí)地調(diào)查、檢測(cè)等的方式，單憑人力監(jiān)管具有工作量大、反饋信息不及時(shí)等缺點(diǎn)，無(wú)法實(shí)時(shí)了解某地區(qū)的大氣揚(yáng)塵污染狀況。所以為了解決這一弊端，就需要利用無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)知識(shí)，打造一種能夠?qū)δ繕?biāo)地區(qū)的大氣揚(yáng)塵進(jìn)行不間斷監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，基于物聯(lián)網(wǎng)的揚(yáng)塵監(jiān)測(cè)具有顯著優(yōu)勢(shì)，以便管理人員能夠快速發(fā)現(xiàn)違法現(xiàn)象，解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

1總體設(shè)計(jì)

首先，要想設(shè)計(jì)出實(shí)時(shí)監(jiān)控?fù)P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(yáng)塵污染。這就需要借助揚(yáng)塵方面的知識(shí)，揚(yáng)塵種類(lèi)繁多，主要有道路揚(yáng)塵，工地?fù)P塵等一些沒(méi)有組織的污染物，而PM2.5中大部分是揚(yáng)塵。那么對(duì)揚(yáng)塵的不間斷監(jiān)測(cè)固然不能缺少一些重要的指標(biāo)及環(huán)境參數(shù)：如TSP、濕度、PM2.5、PM10、噪聲、風(fēng)向風(fēng)速等因素。不同方面的影響要綜合考慮，通過(guò)傳感器對(duì)不同因素的數(shù)據(jù)進(jìn)行不間斷采集并上傳，單片機(jī)處理后，經(jīng)由Zigbee網(wǎng)關(guān)，上位機(jī)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(gè)層面看待，數(shù)據(jù)會(huì)不間斷地顯示在我們所設(shè)立的監(jiān)測(cè)界面上，根據(jù)數(shù)據(jù)分析環(huán)境情況，如有異常即報(bào)警等。也就是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集并傳輸，將數(shù)據(jù)由無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)傳送至遠(yuǎn)程進(jìn)行監(jiān)控。這樣就能有效監(jiān)控目標(biāo)地區(qū)的揚(yáng)塵污染狀況。

2主要內(nèi)容及關(guān)鍵技術(shù)

2.1設(shè)計(jì)框架

系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：

本系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)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(cè)與采集部分

揚(yáng)塵監(jiān)測(cè)采集，噪聲檢測(cè)采集等部分組成無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)噪聲，對(duì)噪聲的連續(xù)監(jiān)測(cè)提高了傳感器的精度。在特定的時(shí)間間隔收集灰塵并上傳到服務(wù)器，統(tǒng)計(jì)、分析由后臺(tái)系列程序來(lái)完成。PM10和PM2.5是需要監(jiān)測(cè)的參數(shù)。如何測(cè)量大氣揚(yáng)塵？

（1）濾膜稱(chēng)重法

通過(guò)切割器對(duì)氣體進(jìn)行采樣，采樣后通過(guò)稱(chēng)量靜電濾膜的質(zhì)量增量來(lái)獲取吸附顆粒物的質(zhì)量，然后根據(jù)采樣的流量和時(shí)間，通過(guò)公式可計(jì)算出粉塵顆粒物的濃度。

優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量結(jié)果可靠高、受干擾因素少、誤差小;

缺點(diǎn)：手工操作、步驟繁瑣、工作量大、耗時(shí)長(zhǎng)、無(wú)法在線(xiàn)測(cè)量、無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性的要求。

（2）壓電晶體法

通過(guò)對(duì)顆粒物進(jìn)行放電操作將顆粒物沉積并吸附在測(cè)量振蕩器的表面;由于振蕩器的振蕩頻率與其質(zhì)量成負(fù)相關(guān)，因此可以通過(guò)振蕩頻率的變化量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)顆粒物質(zhì)量濃度的測(cè)量;壓電晶體法可以實(shí)現(xiàn)分段連續(xù)自動(dòng)測(cè)量，但是由于需要定期清理振蕩器電極，導(dǎo)致了其采樣率不穩(wěn)定。

（3）光散射法

將光束通過(guò)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(guò)該值計(jì)算出顆粒物的粒徑和濃度等信息。

優(yōu)點(diǎn)：可測(cè)量的粒徑范圍寬、自動(dòng)連續(xù)測(cè)量效果好。

2.1.2數(shù)據(jù)處理部分

通過(guò)節(jié)點(diǎn)模塊將單片機(jī)接收的數(shù)據(jù)再通過(guò)收發(fā)模塊進(jìn)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(bào)警

可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，再LED上隨時(shí)顯現(xiàn)，通過(guò)這種方式提醒施工單位與人員、城市的居民;同時(shí)可以讓施工單位、人員和城市的居民能夠自我警覺(jué)，加以改正;噪聲、揚(yáng)塵哪一方面不符合標(biāo)準(zhǔn)則自行改正。

2.1.4電源部分

太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，可以為系統(tǒng)存儲(chǔ)電能，經(jīng)過(guò)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(cè)得的參數(shù)聯(lián)系起來(lái)，環(huán)境參數(shù)會(huì)以自己想要的形式凸顯于視頻畫(huà)面上，這樣就和視頻一同存儲(chǔ)，清楚明了。

工地人員通過(guò)該系統(tǒng)對(duì)是否存在違規(guī)一目了然，可以隨時(shí)對(duì)自己所處地區(qū)工作狀況加以調(diào)整，實(shí)時(shí)鞭策自己。

2.2關(guān)鍵技術(shù)

揚(yáng)塵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在信息傳輸技術(shù)方面主要運(yùn)用了無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，無(wú)線(xiàn)通信是電磁波信號(hào)在傳播過(guò)程中交換信息的有成效的通信手段。無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)益處明顯，它具有較低的成本，物理線(xiàn)路和電纜都不用，且它適應(yīng)力強(qiáng)，在很多環(huán)境因素下依然不遜色。傳統(tǒng)的有線(xiàn)通信的設(shè)置、維修都很繁瑣，而通過(guò)遠(yuǎn)程診斷可以完成維修無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，簡(jiǎn)單易行。

在近程數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中Zigbee網(wǎng)關(guān)起到作用，ZigBee是一種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。其特點(diǎn)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(dòng)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(cè)與控制、智能的標(biāo)簽等方面，它可以用在多種設(shè)備上。

在距離相對(duì)遠(yuǎn)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(wú)線(xiàn)分組交換技術(shù)，別名通用無(wú)線(xiàn)分組業(yè)務(wù)，它主要被應(yīng)用于線(xiàn)路建設(shè)相對(duì)困難和離城市較遠(yuǎn)的地