PM25云监测系统前端方案510Word文档格式.docx

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目录3

PM2.5前端方案4

1．概述4

1.1背景4

1.2意义4

2．设计5

2.1系统架构5

2.1.1总体架构5

2.1.2部署方式6

2.2传感器7

2.3计算9

2.4采集部分10

2.5通信部分11

2.6电源部分12

2.6.1锂电池供电12

2.6.2太阳能供电13

3．特点13

PM2.5云监测系统前端方案

1．概述

南京云创存储的PM2.5云监测方案，是基于PM2.5测试的辅助测试。

主要是反映局部区域的相关参考值，从而和宏观上反映城市的整体的空气质量的监测站点的监测方式形成互补。

1.1背景

目前许多城市的环境监测中心站点较少，分布分散，环境监测的数据仅从宏观上反映城市的整体的空气质量，但是不能从微观上反映局部区域、特定区域的空气质量的好坏，这就需要建设更多的环境监测站点，提供更多的实时的环境监测数据。

国外一套PM2.5环境监测系统价格在10万美金，国产价格在10-50万人民币，价格昂贵。

建设更多的环境监测站点需要巨大的资金投入，成本太高。

云创存储的PM2.5云监测系统价格大约在1万人民币，非常廉价，能够解决资金投入问题，同时满足一定的测量精度，和现有的空气环境自动监测系统形成互补，为环保部门服务。

目前350米以下都有颗粒污染物，污染程度比较严重，加之信息化工作处于低端水平，以及公众对于PM2.5的关注度不断提升，使得PM2.5的监测重要性日益突出。

廉价的PM2.5环境监测系统与目前的传统监测站点的监测方式形成互补，满足公众环境需求，提升政府形象。

1.2意义

部署廉价的PM2.5环境监测系统，配合城市现有的环境监测站点，准确、及时、全面地反映环境质量现状及发展趋势，为环境管理、污染源控制、环境规划等提供科学依据，并结合天气状况、城市交通、人口密度、工业产值等元素，进行系统的研究，为保护环境，改善城市的大气环境质量改善起到技术支撑作用。

具体可归纳为:

（1）根据环境质量标准，评价环境质量。

（2）根据污染分布情况，追踪寻找污染源，为实现监督管理、控制污染提供依据。

（3）构建云计算海量数据处理平台，存储本区域海量数据，积累长期监测资料，为研究环境容量、实施总量控制、目标管理、预测预报环境质量提供数据。

（4）为保护人类健康、保护环境、合理使用自然资源、制订环境法规、标准、规划等服务。

2．设计

2.1系统架构

2.1.1总体架构

前端设备采集到相关的信息，通过GPRS进行无线数据传输，在有公网IP的服务器上进行数据接收和初步的处理，然后数据存入数据立方进行存储和计算，并且通过WEB服务器进行数据的最后处理和公布。

具体的架构详见图1。

图1PM2.5云监控平台架构

PM2.5前端设备主要是由电源模块、采集模块和通信模块组成，前端内部架构具体详见图1。

实际的PM2.5监测设备详见图2。

图2前端设备的架构

图3前端设备实物图

2.1.2部署方式

在城市的不同区域布局并有效使用PM2.5的监测系统，从而能够比较全面地掌握城市不同区域，在不同时间段、不同气候特点（包括气温、风向、季节）下的PM2.5的实时监测数据。

PM2.5环境监测系统环境数据采集设备采用先进的传感器、低功耗单片机技术和网络通讯技术相结合，可提供方便的数据查询方式，直接通过浏览器可以直接访问测试数据。

目前环境监测站的监测设备一般部署在离地面高度20m-25m之间，而云创存储的PM2.5环境监测系统环境监测设备根据实际的情况来进行部署。

设备小巧，部署方式灵活，可以部署在电线杆等公共设施上。

详细见图4。

图4部署在电线杆上前端设备

2.2传感器

根据如下的需求：

1）辅助测试PM2.5值，测试不需要太高的精度，主要是用来辅助PM2.5测试曲线；

2）超低低成本的需求；

选择的传感器详见图5。

图5DSM501颗粒传感器

传感器的特点：

PWM脉宽调制输出

采用粒子计数原理

可灵敏检测直径1微米以上的粒子

内置加热器可实现自动吸入空气

小尺寸重量轻

易安装使用

传感器的原理结构图详见图6.

图6传感器的原理结构图

模块内置一个加热器，热引起上升气流使外部空气流进模块内部。

空气通过检测通道，利用光的原理、通过光和透镜以及处理模块来进行检测。

具体的检测方法和通道如图7所示。

图7传感器的检测

另外，传感器的透镜需要视环境状况隔一段时间进行清洁，约6个月一次。

清洁时用棉签一头醮清水轻擦，然后用另一头擦干。

不可以用酒精等有机溶剂擦拭透镜。

2.3计算

通过传感器的检测颗粒，输出相关的PWM波，低电平的波形width是10ms-90ms，利用这个PWM波形来进行获取相关的参数，详见图8。

通过获取低电平的占空比，从而通过图9获取到对应的数值。

图8传感器的采样

图9传感器采样的曲线图

通过如下的计算，可以得到其中一个通道的采样值。

通道的LOWPluse的占空比设定为L，测试的采样值为P。

则：

如果获取到的L<

0.08，则：

P=0.1*L*100*10（ug/m3）;

如果获取到的0.08=<

L<

0.15，则：

P=（（（L*100–8）/6.5+0.8））*10（ug/m3）;

通过相关的采样，可以采样得到传感器的两个通道的值，一个通道是1um以上的粒子的值P1，另外一个通道是可以进行设置的，这里设置为可以检测2.5以上的粒子的值P2。

PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物，也称为可入肺颗粒物（暂无标准中文名）。

所以在这里要计算最终的采样值PL，需要进行如下的计算：

PL=P1-P2;

这里就可以计算出大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物。

2.4采集部分

虽然肉眼看不见空气中的颗粒物，但是颗粒物却能降低空气的能见度，使蓝天消失，天空变成灰蒙蒙的一片，这种天气就是灰霾天。

根据《2010年灰霾试点监测报告》，在灰霾天，PM2.5的浓度明显比平时高，PM2.5的浓度越高，能见度就越低。

虽然空气中不同大小的颗粒物均能降低能见度，不过相比于粗颗粒物，更为细小的PM2.5降低能见度的能力更强。

能见度的降低其本质上是可见光的传播受到阻碍。

当颗粒物的直径和可见光的波长接近的时候，颗粒对光的散射消光能力最强。

可见光的波长在0.4-0.7微米之间，而粒径在这个尺寸附近的颗粒物正是PM2.5的主要组成部分。

理论计算的数据也清楚地表明这一点：

粗颗粒的消光系数约为0.6平方米/克，而PM2.5的消光系数则要大得多，在1.25-10平方米/克之间，其中PM2.5的主要成分硫酸铵、硝酸铵和有机颗粒物的消光系数都在3左右，是粗颗粒的5倍。

所以，PM2.5是灰霾天能见度降低的主要原因。

目前国内外环保部门监测PM2.5普遍采用滤膜称重、β射线吸收和微量振荡天平等方法。

除了以上三种测试方法外，还有利用光散射的原理测定颗粒物浓度的方法。

该测定方法的原理是：

空气中的颗粒物浓度越高，对光的散射就越强。

测定光的散射后，就可以算出颗粒物浓度。

该测试方式测定速度快，自动化程度高，操作简单。

本次设备使用的是红外光散射法来进行测试相关的数据。

通过相关的探头来进行采集相关的数据。

通过采集的通道利用红外光散射来进行获取颗粒浓度。

采集空气的通道有固定的加热源，通过加热源来进行空间的动态的采集。

将相关的颗粒浓度转换成相关的数据通过无线通信进行数据传输。

2.5通信部分

前端设备的通信主要是通过GPRS进行数据的无线传输。

具体的数据传输的网络示意图详见图10。

图10GPRS数据传输

数据在前端设备基于TCP/IP协议，经过GPRS的数据传输，通过移动网络传输数据，利用公网的服务器接受数据，然后将数据入库后，进行数据的处理，最后通过WEB服务器将数据展现出来。

注意:

每个前端设备有一个供应商的SIM卡进行数据通信，该SIM卡需要有GPRS业务，同时使用的地点必须有供应商的信号。

例如使用中国移动的SIM卡，该卡需要有GPRS的业务，同时放置PM2.5测试前端的地点需要有中国移动的信号才可以正常的通信。

2.6电源部分

供电方式有两种，一种是锂电池和市电互补的供电方式，另一种是太阳能供电供电方式。

2.6.1锂电池供电

锂电池供电方式是基于市电可以提供的情况下进行的。

如果部署的PM2.5设备附近有市电，

这样可以方便进行充电。

或者是市电和锂电池进行互补方式进行供电。

同时进行对电池进行电压监测，检测供电电压是否正常，电源供电是否正常。

锂电池是12V电压，50Ah的规格，可以在没有充电或者没有市电互补的情况下持续10*24h的供电。

具体的实物见图11。

图11锂电池供电方式的前端设备实物图

2.6.2太阳能供电

太阳能供电方式是基于太阳能进行可持续性的充电，从而避免了提供充电或者接入市电的情况。

太阳能供电是利用蓄电池和太阳能互补的方式进行供电，通过太阳能控制器来进行互补。

在太阳能供电不能满足供电需求的时候，利用蓄电池进行供电。

利用20W的太阳能板，在一定的环境中，可以满足设备的供电要求。

蓄电池的规格是12V电压，20Ah的规格，在完全没有太阳能的情况下，可以支持3*24h的无间断供电。

该供电方式同时提供电压监测功能。

具体的实物详见图12。

图12太阳能供电方式的前端设备实物图

3．特点

1、价格低廉，大规模部署

廉价的PM2.5环境监测设备每个节点只需1万元，即可满足PM2.5监测、数据传输功能，无需国外昂贵的监测设备，和现有的环境监测点形成有利互补，对PM2.5数据发布有参考意义。

2、云计算海量数据处理技术

架构云计算海量数据处理平台，采用先进的云计算处理技术，对环境监测的数据入库和关联查询快速响应，支持自动容错和动态扩展，具有实时性、高可靠性、可伸缩性、高性价比等特点。

3、扩容性

PM2.5监测前端设备可以根据需求进行增加设备，扩展整个系统的覆盖面积，但是不需要继续复杂的操作，可以动态的增加PM2.5测试的节点，并能自动组网，具有很强的扩容性。

4、实时性

测定速度快，自动化程度高。

测试方法决定了测试的实时性，采集时间实现秒级响应，且采集时间可以任意设定，采集的数据实时入库，可实时查询。

5、采集数据的准确性

采集的数据经过精确的校准，且灵敏度很高，和环保部分发布的PM2.5数据及趋势接近，数据真实有效。

实时采集的数据和环境监测站发布PM2.5数据对比图详见图13。

图13PM2.5数据对比图

综合上述，PM2.5环境监测系统架构云计算海量数据处理平台，存储本区域海量数据，积累长期监测资料，为研究环境容量、实施总量控制、目标管理、预测预报环境质量、环境治理提供数据。