煤炭铁路沿线粉尘污染监测系统设计

谢青龙

（神华新朔铁路有限责任公司通信技术分公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000）

煤炭一直是我国的主要能源，并在一段时期内保持这种状态。煤炭化工、火电厂都靠这种不可再生资源维持，但是我国的煤炭储量分布不均，主要产地集中在西北内陆地区，但煤炭的需求量却恰恰相反，东部沿海等经济发达省份对电能的需求巨大，同时煤化工重点企业也在东部。这就不可避免地需要长途运输煤炭，铁路成为首选途径。在运输过程中，由于铁路提速，以及沿途的风力情况，都会造成煤炭扬尘，不仅污染了环境，还给运输企业带来经济损失。目前我国内蒙、山西等地已经建立起多条煤炭运输专线，成功实现了煤炭产出大省向全国以及港口的运输。通过铁路运输的煤炭，每年达到几亿吨，由于扬尘损失的煤炭不可估量，但是最严重的还是扬尘带来的环境污染。本文将针对铁路扬尘的特点，研究一套PM2.5粉尘监测系统。

1.系统设计出发点

21世纪我国铁路经历了几次大提速，大大增强了铁路运力，目前的行驶速度几乎达到原来的2倍。这无形中增加了煤炭扬尘的严重性。虽然近年来铁路沿线绿化程度有所加强，但是并没有实现与农田，或其他民用设施的完全隔离。煤炭运输专线附近，土壤和河流都受到不同程度的污染，给人民群众的生活和健康带来很大威胁。

同时，在一些通风不畅的封闭环境，例如隧道等，扬尘带来的煤粉无法迅速扩散浓度会不断加大，当达到一定浓度的时候，遇到铁路上产生的电火花，不可避免地产生爆炸，对铁路安全运行带来极大威胁。

随着空气污染的加剧，与颗粒物污染有关的过早死亡人数达到年均两百万人。美国相关部门也对大气污染对人类的影响作出了调查：PNAS（美国国家科学院院刊）发布声明，指出人类因空气污染，其平均寿命已减少了五年半之多。国际癌症研究机构（隶属于世界卫生组织）发布公告，公告清楚地指出大气污染会诱导人类获得癌症，并将大气污染列为主要环境致癌物质之一。在高浓度颗粒物下长期暴露会导致一系列的呼吸系统疾病与心血管相关疾病甚至是肺癌。PM2.5因为其体积小，传输距离远，空中滞留时间长，所以它能够吸附更多的重金属元素和有毒物质，人们吸入PM2.5将会大幅增加致癌、发育畸形，导致突变的概率。

综上所述，我们研究PM2.5就是为了从根本上对它进行防治，因为它对铁路运输安全、环境污染、人体健康带来极大的危害，还能够扰乱大气气候形成极端天气。研究PM2.5污染物监测分析系统，能够对PM2.5进行实时监测，对采集到的PM数据进行分析处理，从而得知该地区的PM2.5污染情况，这样就能够针对该地区的特点，对PM2.5超标的现象进行治理。如果相邻的地区也应用PM2.5污染物监测分析系统的话，那么会形成块区域联合治理的现象，也就是说能够更好地治理PM2.5，在结合风向等天气因素甚至能够做到PM2.5局部性的预测。对于PM2.5的治理和防治具有重要意义。

2.监测系统设计

2.1 监测系统整体设计

图 1 系统结构框图

本PM2.5污染物监测分析系统基于SDS011 PM2.5传感器，采用激光散射原理测量PM2.5和PM10浓度，数据实时性高，可靠性强，数字化输出。如图1所示，系统核心采用STM32F103RCT6。PM2.5传感器通过导线连接到STM32的USART3引脚上，而STM32通过USART中断将PM2.5和PM10的数据包接收并校验，经过计算得到真正的数据，然后将数据通过LED屏进行实时显示，方便观测人员在室外进行实时的数据观测。与此同时2.4G无线模块NRF24L01+将PM数值实时传送到与PC相连的另一个NRF24L01+和USB to TTL模块上，进而将PM数值传给PC上的MFC上位机进行处理。

2.2 STM32 处理器模块

STM32系列为以ARM Cortex-M3为内核地满足高性能、低功耗、低成本的SOC，它是嵌入式开发的绝佳选择之一。STM32 F系列分为：基本型、增强型、互联型。其中，基本型拥有36MHZ的时钟频率，是以16位MCU的价格得到32位性能大幅提升的MCU的高性价比产品；增强型拥有高时钟频率（72MHZ），与同类产品相比拥有最高的性价比；基本型和增强型都包含32K到128K的程序存储器，区别在于外设接口的配备和SRAM的容量值。当选择72MHZ时，从程序存储器执行代码，STM32仅消耗36mA的功耗。

ARM Cortex-M3是ARM系列中最高性价比的处理器，它为紧凑的资源、要求低功耗的项目提供了完整的解决方案，同时还拥有快速的计算能力和中断快速响应的能力。满足实时性的要求。为实时性要求高的项目设计提供了极大的便捷和无限的可能。ARM Cortex-M3属于RISC 32位的处理器类型。而且它代码效率极高，在8位和16位的存储空间里同样能够发挥ARM内核的优点。而且，STM32F103XC/XD/XE增强型因为其核心为ARM核，所以它也能够用ARM公司提供的各种开发软件进行项目开发。

2.3 PM2.5 传感器模块

SDS011通过激光散射原理，能够检测出大气中细颗粒物的浓度，精度高达0.3-10微米。SDS011数据稳定可靠，采用进口激光器与感光部件进行细颗粒物检测。产品内置风扇，提高检测效率，避免误差。采用数字化输出，使得数据便于后期处理分析。拥有很高的集成度，在体积很小的情况下就能够集成PM2.5和PM10的检测。

SDS011的功能：采用激光检测，误差率低、一致性好，输出数据精准；拥有快速的反应，当场景发生变换时，其响应时间小于等于十秒；自带风扇，采用串口输出，方便与单片机、PLC连接，而且输出可定制，集成度极高；精度极高，能够检测大气中0.3-10微米的细颗粒物，测量范围广。

2.4 NRF24L01无线通信模块

NRF24L01的特点较为明显，它有着极低的功耗：当它以-6dbm工作在发射模式下，其电流仅消耗9mA，当它工作在接收模式下，其电流仅消耗12.3mA。如果想要更低的功耗，则可以考虑掉电模式和待机模式。

当NRF工作在增强型的Shock Burst模式下，且MCU有数据要发送时，NRF就会转为Shock Burst模式来发送数据，当发送完毕后，NRF立刻转换为接收模式（为了等待接收应答信号），如果没有接收到应答信号，NRF会重新发送此数据包。或者当重发次数超出一定值（SETUP_RETR_ARC中设置的值）则报错并中断。反之，当NRF接收到了应答信号，就认为发送数据成功，清空发送缓存区，并产生一个发送成功的中断。在增强型Shock Burst模式下，NRF的这些特点较为突出：一是功耗低，当NRF工作在应答模式时，启动时间短，传输速度快，降低了功耗。二是碰撞现象少。因为空中传输速度极快，所以产生碰撞的几率很小。三是成本低廉。NRF不需要单片机上有SPI接口，因为也可以用IO口来模拟SPI的功能。而且本身已经集成了自动重发丢包和接收应答信号，所以极大地节约了项目开发成本。四是开发方便。因为芯片上集成了链路层，所以在软硬件的开发上十分方便。五是正确率高。因为采用了数据包识别和CRC校验，保证了发送接收的每个包都是正确的和完整的。NRF中每包数据包括两位PID值用来辨识。接收方接收到的数据包PID值若和上一个数据包PID值相同，则比较前后两个包的CRC值，如果CRC值相同，则说明这是一个重发的数据包而丢弃。NRF每取得一个新的数据包，则PID值加1。

3.结语

我国的煤炭储量分布不均，主要产地集中在西北内陆地区，但煤炭的需求量却恰恰相反，这就不可避免地需要长途运输煤炭，铁路成为首选途径。由于铁路提速等因素影响，运输过程中的扬尘情况进一步加剧，本论文针对污染监测需求，设计了铁路粉尘监测系统，实现了PM2.5的实时监测。