《污染濃度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜述》2500字

污染濃度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u11226污染濃度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1304241.1采樣系統(tǒng)介紹 145762.1PM2.5/PM10傳感器 3237262.2CO2傳感器 3145312.3溫濕度傳感器 3323802.4GPS模塊 3125652.5GPRS模塊 363782.6風(fēng)速儀 44492.7后臺(tái)服務(wù)器 4186031.2.1監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)量與分布 521291.2PM10實(shí)測(cè)濃度結(jié)果 61.1采樣系統(tǒng)介紹采樣系統(tǒng)由三大部分組成：便攜式空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)器、風(fēng)速儀與中央服務(wù)器平臺(tái)。如下圖所示：圖3-2便攜式監(jiān)測(cè)器內(nèi)部元件圖3-3風(fēng)速儀圖3-4中央服務(wù)器多目標(biāo)監(jiān)測(cè)圖便攜式空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)器集成了PM2.5/PM10傳感器、CO2傳感器、溫濕度傳感器、GPS模塊、GPRS模塊。能完成GPS定位，PM10/PM2.5濃度、CO2濃度、溫濕度數(shù)據(jù)采集以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，開(kāi)機(jī)狀態(tài)能持續(xù)工作3小時(shí)以上。中央服務(wù)器平臺(tái)能夠在監(jiān)測(cè)器開(kāi)機(jī)情況下實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)并每5秒在污染物濃度曲線圖上繪出新點(diǎn)，支持歷史數(shù)據(jù)的查詢與下載。2.1PM2.5/PM10傳感器PM濃度數(shù)據(jù)的采集使用DSL-08傳感器。該傳感器尺寸小巧、安裝方便，監(jiān)測(cè)速度快，數(shù)值穩(wěn)定且一致性好，采用了全屏蔽，抗干擾能力強(qiáng)。內(nèi)置激光器和光電接收組件，采用光散射原理將激光在顆粒物上產(chǎn)生的散射光由光電接收器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)并計(jì)算出PM10、PM2.5質(zhì)量濃度。DSL-08為主動(dòng)式PM監(jiān)測(cè)器，通過(guò)位于同一側(cè)的進(jìn)出風(fēng)口完成數(shù)據(jù)測(cè)量；測(cè)量量程為0~1500μg/m3，質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)分辨率為1μg/m3，質(zhì)量濃度一致性為±10%或±10μg。2.2CO2傳感器CO2濃度數(shù)據(jù)的采集使用CCS811傳感器，其內(nèi)部集成MCU并具有板載處理能力，在無(wú)需主機(jī)干預(yù)的條件下即可提供等效二氧化碳等級(jí)指標(biāo)。使用分離式氣體傳感器和MCU的解決方案的CCS811可以節(jié)省設(shè)備的物料清單成本以及高達(dá)60%的占板面積。測(cè)量量程為0~5000ppm，測(cè)量精度為±（50ppm+3%讀數(shù)值）。2.3溫濕度傳感器溫濕度數(shù)據(jù)由STH30傳感器獲取。其中，溫度測(cè)量范圍為：-40℃~125℃，測(cè)量精度±0.3攝氏度；溫度測(cè)量范圍為：0~100%RH，測(cè)量精度±3%RH。2.4GPS模塊G530是基于Air530模塊的核心板，是一款高性能、高集成度的多模衛(wèi)星定位導(dǎo)航核心板。其體積小、功耗低、在實(shí)際使用中搜星速度快、信號(hào)定位精準(zhǔn)并支持GPS+北斗雙模。2.5GPRS模塊Air202采用更易于焊接的LCC封裝，4頻段工作、超小尺寸、超低功耗和寬闊的工作溫度范圍適用于可穿戴設(shè)備、智能計(jì)量以及其他M2M的應(yīng)用。支持MQTT/TCP/UDP/PPP/FTP/HTTP/SMTP/CMUX/SSL/阿里云Aliyun/中移物聯(lián)oneNet/涂鴉云Tuya等協(xié)議，能夠滿足實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?.6風(fēng)速儀風(fēng)速儀為?，擜S-8336測(cè)試儀，風(fēng)速測(cè)量范圍0.3~45m/s，風(fēng)速測(cè)量誤差+-3%+-0.1dgt，分辨率0.001m/s，內(nèi)置風(fēng)速單位轉(zhuǎn)換。2.7后臺(tái)服務(wù)器后臺(tái)服務(wù)器整體采用node.js軟件平臺(tái)，使用node-express模塊架設(shè)web網(wǎng)站，利用socket實(shí)現(xiàn)與硬件系統(tǒng)通訊。通過(guò)使用node-epics調(diào)用libCA庫(kù)實(shí)現(xiàn)與EPICS實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的對(duì)接；使用套接字socket事件編程實(shí)現(xiàn)前后端視頻圖像的安全傳輸。本系統(tǒng)的前后端通信過(guò)程如圖3-4所示。前端通過(guò)瀏覽器輸入ip地址訪問(wèn)服務(wù)器，由服務(wù)器發(fā)送頁(yè)面觸發(fā)前端頁(yè)面渲染執(zhí)行腳本，并向后端socket模塊發(fā)送連接請(qǐng)求，socket模塊分別于Node中的EPICS模塊、SDK接口模塊及RS232串口通訊模塊相連，由它們分別向socket模塊發(fā)送socket事件，當(dāng)變量數(shù)值發(fā)生變化時(shí)，Socket模塊發(fā)送變量更新事件到前端，當(dāng)前端監(jiān)聽(tīng)到服務(wù)器發(fā)送的事件后執(zhí)行回調(diào)函數(shù)，更新前端頁(yè)面數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。圖3-5網(wǎng)頁(yè)前后端數(shù)據(jù)通訊流程圖本項(xiàng)目平臺(tái)采用influxDB數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)大量采集數(shù)據(jù)進(jìn)行組織、存儲(chǔ)和管理。監(jiān)控系統(tǒng)采集的服務(wù)器指標(biāo)一般都是時(shí)間序列。從總體上看時(shí)間序列數(shù)據(jù)滿足如下條件：（1）數(shù)據(jù)都帶有時(shí)間戳，單個(gè)數(shù)據(jù)意義甚微，大量數(shù)據(jù)按時(shí)間排序卻可以得到一個(gè)含義豐富的序列。比如本項(xiàng)目平臺(tái)所監(jiān)控的環(huán)境中的溫度、污染物濃度等。（2）大批量的寫和讀，幾乎不修改或單個(gè)刪除，數(shù)據(jù)只保存一段時(shí)間，而后需要降低精度抽樣或批量刪除。時(shí)間序列一般來(lái)說(shuō)都有兩個(gè)特點(diǎn)：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和數(shù)據(jù)量大。所謂的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以理解為某一度量指標(biāo)在某一時(shí)間點(diǎn)只會(huì)有一個(gè)值，沒(méi)有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)（嵌套、層次等）和關(guān)系（關(guān)聯(lián)、主外鍵等）。數(shù)據(jù)量大則是另一個(gè)重要特點(diǎn)，這是由于時(shí)序列數(shù)據(jù)由所監(jiān)控的大量數(shù)據(jù)源來(lái)產(chǎn)生、收集和發(fā)送，比如主機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、終端或APP等。使用傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)時(shí)間序列有很多的弊端。比如在數(shù)據(jù)量較大的情況下查詢速度慢對(duì)用戶不友好、對(duì)存儲(chǔ)沒(méi)有做優(yōu)化占用磁盤空間大等。在實(shí)際測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)CO2傳感器極為靈敏，數(shù)值波動(dòng)很大，且CO2來(lái)源廣泛，并不能確認(rèn)濃度的改變是由于交通排放導(dǎo)致，因此在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)中主要考慮PM2.5以及PM10的濃度。1.2.1監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)量與分布目前學(xué)術(shù)界對(duì)于區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量需求并沒(méi)有嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的方法進(jìn)行論證，但查詢以往的文獻(xiàn)資料發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量一般為20-100個(gè)，但對(duì)于不同的城市區(qū)域規(guī)模與地區(qū)人口數(shù)量，所布置的點(diǎn)數(shù)應(yīng)隨之改變。Jerrett等[56]在加拿大Toronto進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，利用全部97個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中隨機(jī)選擇的65個(gè)點(diǎn)得到的模型預(yù)測(cè)結(jié)果與使用所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的結(jié)果非常相似。同樣，Briggs等[57]在倫敦的研究中，選取75%監(jiān)測(cè)點(diǎn)所得到的的結(jié)果與使用全部數(shù)據(jù)的相似。Madsen等[58]的研究結(jié)果證明，在位于海邊、海拔具有顯著變化的500000居住人口的非工業(yè)化城市oslo中，隨機(jī)選擇40個(gè)點(diǎn)與考慮全部80個(gè)點(diǎn)所得到的的結(jié)果沒(méi)有顯著性區(qū)別。然而，這些經(jīng)驗(yàn)是否在其他城市或環(huán)境中依然可靠有效，仍待考證。此外，對(duì)于監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布的確定，依然沒(méi)有較為明確的方法來(lái)辨識(shí)各組監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的差異。例如，Brauer等[48]在設(shè)計(jì)TRAPCA研究對(duì)于Netherlands中三個(gè)區(qū)域污染物暴露評(píng)價(jià)的實(shí)驗(yàn)中，將12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)作為高交通點(diǎn)測(cè)量，其余28個(gè)均作為城市區(qū)域的背景濃度檢測(cè)。1.2PM10實(shí)測(cè)濃度結(jié)果為測(cè)得最接近實(shí)際情況的各路段PM10數(shù)值，本研究進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，除去儀器操作失誤、檢測(cè)模塊信號(hào)不佳等因意外而結(jié)果無(wú)效的實(shí)驗(yàn)，經(jīng)比選后最終選取2021年4月27日18：00-19：00收集到的污染濃度數(shù)據(jù)，為將收集到的PM10原始數(shù)據(jù)在經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理之后，整理為如折線圖3-6所示，其中，縱坐標(biāo)表示實(shí)測(cè)PM10濃度值：圖3-6預(yù)處理后的實(shí)際測(cè)量值通過(guò)檢測(cè)器輸出的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，對(duì)比實(shí)際測(cè)量值，可得以下污染物濃度變化結(jié)果，如表3-4所示：表3-4各路段污染物濃度變化路段污染物濃度變化情況1-2周圍環(huán)境綠地偏多，擴(kuò)散條件好，交通量也較少。pm10變化平穩(wěn)。2-3周圍環(huán)境綠地偏多，擴(kuò)散條件好，交通量也較少。pm10變化平穩(wěn)。4-5在經(jīng)過(guò)點(diǎn)4時(shí)由于路口經(jīng)過(guò)車輛較多，pm10增加幅度較大。6-7由于車輛擁堵緩行，Pm2.5與pm10緩步上升。2