一种新型PM 2.5环境监测仪的设计

郭朝中，刘代军，石东平，孙凌涛，胡安平，黄　静，谢俊相，杨进勇

(重庆文理学院新材料技术研究院， 重庆　永川　402160)



一种新型PM 2.5环境监测仪的设计

郭朝中，刘代军，石东平，孙凌涛，胡安平，黄静，谢俊相，杨进勇

(重庆文理学院新材料技术研究院， 重庆永川402160)

[摘要]本文介绍了一种自主设计的新型PM 2.5智能监测系统，它以太阳能电池组为供电体系，通过联合使用A/D转换器以及其他常规检测仪器，可实现对空气质量的多功能、高精度监测；采用GTM900B无线模块进行数据传输，确保了监测数据的实时更新.

[关键词]PM 2.5；环境监测；空气质量

空气污染程度直接反应空气质量，可通过检测空气中污染物浓度的高低进行判断.总结最近的研究结果，发现空气中的污染物主要包括烟尘、可吸入颗粒物(PM 10)、细小颗粒物(PM 2.5)、总悬浮颗粒物、一氧化碳、二氧化氮、二氧化硫、臭氧、挥发性有机化合物等[1，2].其中，PM 2.5是在空气环境中空气动力学当量直径≤2.5 μm的颗粒物，也称之为“可入肺颗粒物”.由于PM 2.5粒径小、面积大、易附带有毒有害物质，并且在大气中停留时间长、传输距离远，对人体健康、大气质量的影响很大[3，4].据联合国环境规划署在中、印等国开展的PM 2.5检测试验报告，PM 2.5浓度上升20 μg/m3，将致死约34万人/年.因此，加强对PM 2.5的实时监测及控制愈发重要.

1PM 2.5监测系统的介绍

本监测系统以STC12C5A60S2型单片机为核心，对大气中的污染物进行实时监测.通过大气污染物成分监测仪分别对空气中的一氧化氮、二氧化硫、一氧化硫、PM 2.5的浓度及空气的温、湿度进行监测，并将检测得到的数据进行A/D转换和单片机处理，由GSM模块进行数据传输，使其在上位机显示器上进行显示.此系统的硬件部分由太阳能电池组、大气污染物成分检测仪、单片机、显示器和A/D转换器构成，如图1所示.连接方式为：太阳能电池组与单片机连接、单片机与显示器连接、大气污染物成分检测仪与A/D转换器连接、A/D转换器与单片机连接.其中，大气污染物成分检测仪包括PM 2.5测试仪、二氧化氮检测仪、二氧化硫检测仪、一氧化氮检测仪、空气温度检测仪和空气湿度检测仪.

图1　PM 2.5环境监测系统

另外，PM 2.5检测系统的主要特点如下：

(1) 用太阳能电池组供电，确保检测系统可实时独立运行，便于维护、节能环保.

(2) 增加了高精度的A/D转换器，将模拟信号数字化，有效提高了检测精度[5，6].

(3) 增补了几种其他的常规检测仪器，实现了对空气质量的多功能监测.

(4) 利用GTM900B无线模块进行数据传输，实现了检测数据的及时更新.

2PM 2.5监测系统的各个模块及作用

2.1　电源模块

电源部分采用太阳能电池组和UC3909集成控制器构成的充电式蓄电池两种方式给各个模块进行供电.在光照强度较大的情况下，由太阳能电池组对系统直接进行供电，当光照强度不能达到要求时，则由蓄电池对系统进行供电.此种供电方式避免了系统因突然断电而无法及时更新数据的问题.

太阳能电池组由高效晶体硅太阳能电池片、超白布纹钢化玻璃、EVA、透明TPT背板以及铝合金边框构成，具有使用寿命长、机械抗压强度大等特点，被广泛应用于交通、通讯、石油、海洋、气象等领域.

采用UC3909集成控制器作为充电式蓄电池的核心元件，是由于UC3909集成控制器内部的高效率平均电流控制环路可以以开关工作方式精确地控制铅酸蓄电池的充电状态.在UC3909内部有采用平均电流PWM控制的铅酸蓄电池充电状态逻辑控制电路，通过铅酸蓄电池的充电逻辑状态控制，可控制充电器电路的充电电压和充电电流.在UC3909内部还含有电压锁定输出电路，可确保充电器电路只会在有足够高的电源电压加到UC3909时充电电路才开始工作.

2.2　程序控制模块

利用STC12C5A60S2型单片机实现.STC12C5A60S2是STC生产的单时钟/机器周期的单片机，指令代码与传统8051完全兼容，速度却是传统8051的8~12倍.内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换(250K/S)，适用于电机控制、强干扰场合.此单片机的工作电压3.3~5.5 V、工作频率0~35 MHz；通用I/O口，复位后为普通8051传统I/O口，可设置成4种模式.另外，其独特的优势在于可对使用者写入的程序进行加密保护，不会出现成果被盗用的风险.

2.3　数据监测模块

用无线传感器对空气中的二氧化硫、PM 2.5浓度及温度、湿度等进行实时监测.

2.3.1二氧化硫传感器

空气中的二氧化硫含量用二氧化硫传感器进行监测.二氧化硫传感器是利用控制电门点解的原理，使待测气体在传感器的工作电极上在一定控制电位下发生氧化反应，当点位控制足够正且电极的催化活性足够高时，氧化反应就进行得很快，过程的总速度由二氧化硫扩散步骤决定，产生的信号电流和二氧化硫的浓度呈正比.二氧化硫传感器具有电流灵敏度高、响应时间短、受温度和湿度影响小、稳定性好、本底噪音低的特点，不仅可以测定空气中的二氧化硫，还可以用于测定低电导率液体中的二氧化硫.

2.3.2温度、湿度传感器

空气中的温、湿度含量选用DHT11数字温湿度传感器进行检测.此类传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接.每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准，校准系数以程序的形式存储在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数.单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷.超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20 m以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择.该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点，在暖气空调、汽车、测试及检测设备、数据记录器、温度调节器、除湿器等领域中被广泛应用.

2.3.3PM 2.5传感器

空气中PM 2.5的含量用专门设计的PM 2 .5传感器进行检测.PM 2.5传感器(PM 2.5检测仪OPC-N1)是一款轻便型装置，采用先进的光学系统及精准的电子处理装置，提供快速精确的粒子数和粒径分布检测，其内部结构与传统的使用气泵和样气过滤器的光粒子计数器不同.OPC-N1采用了完全不同的方法，它使用定制设计的椭圆镜和一个双元件光电检测器的组合，在一个开放的散射腔室的中心自由空间创建一个“虚拟感应区”；随后，感应区及其周边空间会被一个薄的带状激光束照亮.含颗粒的空气不受约束地通过散射室且可以穿过激光束感应区内外，但只有那些穿过感应区域内的颗粒可被双元件检测器确认并由OPC电子计数/测量大小.值得关注的是，OPC-N1采用全新的粒子计数算法，综合空气动力学、激光检测技术、数字信号处理、光机电一体化研发.这种新型的设计可使用微型低功率风扇代替气泵产生所需的粒子流通过感应区而不需要任何形式的粒子过滤器，避免了需要定期更换常规气泵保护过滤器，取而代之的是允许长期无需维护的现场操作.低廉的价格有利于进行多点分布检测，形成密集的检测网路，准确地提供研究空气污染状况的依据.该检测仪被广泛应用于HVAC系统、室内空气质量检测、室外环境监测、路边监测站、工业测量、排放监控等系统中.

2.4　数据传输模块

本文自主设计的PM 2.5环境检测仪的特别之处在于它利用的是GTM900B无线模块进行数据传输.华为GTM900无线模块是一款三频段GSM/GPRS的无线模块，它支持标准的AT命令及增强AT命令，提供丰富的语音数据业务等功能，是高速数据传输等各种应用的理想解决方案，逻辑框图如图2所示.它的功能特点有：①支持800 MHz单频独立工作、900 MHz/1800 MHz双频自动选择、800 MHz/900 MHz/1800 MHz三频自动选择，三者可通过软件便捷切换；②通过内部更换硬件器件，可支持850 MHz频段和1900 MHz频段；③提供标准UART接口，串口速率最大支持115.2 Kbps，支持分组数据业务、GPRS CLASS 10、FR EFR HR和AMR的语音编码、标准AT命令和扩展AT命令集，同时提供UART Audio SIM卡 Power Control ADC接口.

2.5　数据显示模块

数据显示由上位机完成.上位机是控制者和提供服务者，被控制者和被服务者则成为下位机.在PM 2.5环境监测系统中，单片机作为下位机，去控制相关的设备工作.上位机与下位机的工作过程就是由上位机首先发出指令给下位机，下位机将得到的命令转化为相应的时序信号直接控制相应设备.下位机不时读取设备状态数据，并将其转化成数字信号反馈给上位机，上位机得到数据后，自动与原始数据进行比较，比较之后将结果在屏幕上显示出来.

图2　GTM900逻辑框图

3程序流程图

图3　程序流程图

4结语

本文设计了一种新型PM 2.5大气污染物环境检测系统.该系统利用上位机和单片机进行控制，传感器进行污染物检测，GTM900B无线模块进行高速数据传输，上位机显示数据.该系统采用了太阳能电池组和充电式蓄电池两种方式联合供电，既节能又环保，且使人们能够及时了解到大气质量的变化情况，对提高人们的生活质量有实际意义.

[参考文献]

[1]吕岩, 朱永超. PM2.5自动监测影响因素及实验结果浅析[J]. 现代科学器, 2014 (3): 166-172.

[2]李鹏, 张瑞霞, 王赛超. 基于物联网技术的大气环境监测系统研究[J]. 信息通信, 2013(8): 59-60.

[3]王福禄, 房俊龙, 张喜海. 基于无线传感器网络的温室环境监测系统研究[J]. 东北农业大学学报,2011(2): 59-64.

[4]朴天然, 吕立新, 汪伟. 基于TinyOS无线传感器网络的农业环境监测系统设计[J]. 农业网络信息，2009(2): 23-26.

[5]胡代洲, 廖长荣. 新型交流直流表设计[J].重庆文理学院学报：自然科学版，2012(5): 75-78.

[6]干开峰, 王俊, 汪济州. 新型传感器数据记录系统设计与实现[J].重庆文理学院学报：自然科学版，2012(5): 53-56.

(责任编辑穆刚)

Design of a new PM 2.5 environmental monitoring system

GUO Chaozhong, LIU Daijun, SHI Dongping, SUN Lingtao, HU Anping, HUANG Jing, XIE Junxiang, YANG Jinyong

(Research Institute for New Materials Technology, Chongqing University of Arts and Sciences, Yongchuan Chongqing 402160, China)

Abstract：This paper has designed a new PM 2.5 environmental monitoring system, which uses the solar panels, high precision A/D converter and other routine testing instrument. It can achieve alone multifunctional and high precision monitoring of air quality. Besides, the data transmission part has adopted wireless transmission module GTM900B in order to update monitoring data in real time.

Key words：PM 2.5; environmental monitoring; air quality

[中图分类号]X859

[文献标志码]A

[文章编号]1673-8004(2015)05-0096-03

[通讯作者]刘代军(1987—)，男，重庆巫溪人，助理工程师.

[作者简介]郭朝中(1987—)，男，重庆万州人，讲师，博士，主要从事传感器方面的研究.

[基金项目]重庆文理学院科研项目(Y2014CJ24)；重庆文理学院引进人才专项资助项目(R2014CJ02).

[收稿日期]2015-04-09