远程实时空气自动监测系统设计.docx

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远程实时空气自动监测系统设计

摘要

城市空气质量是作为城市环境的重要指标之一，将直接影响到城市居民的健康甚至出行。

近年来，由于城市空气污染日益加重，所以应该对城市空气的质量进行全天候实时的监测。

本文设计了一种基于AT89S52单片机的低成本远程空气监测系统。

系统可对城市各个区域的大气温度、湿度、气压、风速和CO，SO2气体浓度进行监测。

传感器输出的信号通过电流电压转换和运算放大器的放大之后，送入14位高精度A/D转换芯片MAX1148。

测量的数据由单片机处理之后，可以通过DM12864LCD液晶进行显示，可以通过电机驱动芯片L298N来控制电机的正反转，从而控制集气瓶的开关来收集空气。

由于单片机本身I/O口有限，通过扩展一个具有I2C总线功能的PCF8574芯片实现I/O口的扩展，扩展后可以用键盘设定时间，单片机通过以太网控制器ENC28J60可以远程和终端的计算机进行通信，以实现对城市空气质量的实时监测。

同时，当网络中断或者拥挤的时候，系统监测到的数据可以临时存储在PCF8570储存芯片内。

本系统可以灵活地部署在以太网络的各个区域，形成完备的监测网络，实现了对空气中各个重要指标的监测。

关键词：

空气质量；实时监测；以太网；远程通信

Abstract

Cityairqualityisasoneoftheimportantindicatorsofenvironmentinthecity,willdirectlyaffectthehealthoftheresidentsandeventravelcity.

ThispaperdescribesthedesignofalowcostremotemonitoringsystembasedonAT89S52singlechipmicrocomputer.Thesystemcanbeinallregionsofthecityatmospherictemperature,humidity,airpressure,windspeedandCO,SO2gasconcentrationmonitoring.Thesensoroutputsignalbyamplifyingcurrentandvoltageconversionandoperationalamplifier,into14bitshighprecisionA/DconversionchipMAX1148.Themeasureddataisprocessedbythesinglechipcomputer,canbedisplayedthroughtheDM12864LCDLCD,canreversetocontrolthemotorthroughthemotordrivechipL298N,switchtocontrolthegascollectingbottletocollectair.AsthemicrocontrolleritselfI/OExportCo.,throughtheimplementationofextendedI/OexpansionwithaI2CbusfunctionofPCF8574chip,afterexpansioncansetthetimeusingthekeyboard,MCUthroughtheEthernetcontrollerENC28J60cancommunicatewiththeremoteterminalcomputer,inordertorealizethereal-timemonitoringofthecityairquality.Atthesametime,whenthenetworkinterruptionorcongestion,systemmonitoringdatacanbetemporarilystoredinthePCF8570storagechip.

ThissystemcanbeflexiblydeployedineachareaEthernetnetwork,formingacompletemonitoringnetwork.Themonitoringoftheimportantindexintheair.

Keywords：

Airquality;real-timemonitoring;Ethernet;remotecommunication

第1章绪论

研究空气质量监测的背景及意义

人们的生活水平越来越高，对环境的关注也越来越多。

而空气质量的指标是一个重要的因素。

现在，地球上有将近七十亿的人口，其中，一半的都是城市人口。

由于工业发展开始以后，城市人口，规模在不断地扩大，工业发展速度也呈现快速发展的趋势。

特别是工厂的兴建和机动车辆快速发展。

所以这导致了城市空气污染的日益加重。

每天在城市里面的汽车排放出的尾气，城市边缘工厂排放出的工业废气和其它方面的污染源排放的污染的空气，这些都对居住在城市里面的居民的健康造成了很大的伤害。

为了保障人们呼吸新鲜空气，就必须加强空气质量监测的系统建设。

随着中国经济的快速发展，城市空气的污染状况还会进一步地加剧。

如果现在不能有效的控制空气污染，这将会对居民的健康和生存起到不可逆转的威胁。

根据网上数据，中国现在至少有2.8亿城市居民在呼吸着被污染的空气。

但让人欣慰的是，政府现在已经认识到被污染的空气对民众健康的威胁。

所以也采取了很多措施来检测，控制被污染的空气。

就城市而言，因为每天道路上拥堵的车流量，所以，汽车排放的尾气主要集中在十字路口和每条道路的分岔口。

还有化工厂、炼油厂、发电站等工业园集中的地区，它们所排放的废弃烟雾和有毒物质，会随着空气的流动，飘到居民居住区。

这些都是空气污染比较集中的地方，所以应该具体检测和监控，并加以控制。

在采取所有有效的控制措施前，对污染空气的检测是最为重要的。

因为只有知道了污染空气的成分，才能对污染空气做好有效的控制。

按照国家环保总局的规定，目前城市发布的空气质量报告，主要是一氧化硫、氮氧化物、总悬浮颗粒物这三种污染物质的质量指数和相应的空气质量级别，并作空气质量状况的说明和人体健康影响程度描述。

大气污染监测是环境保护工作者获得关于空气质量的第一首途径。

他可以侦查有害物质的来源、分布、数量、动向等规律。

为改善环境、保护人民健康提供资料。

大气污染检测一般可以分为三类。

（1）对污染源的检测，如工厂的烟囱，汽车尾气排出口的检测。

目的是为了了解这些污染源所排出的有害物质是不是达到了国家的排放标准规定，并分析它对大气污染的影响。

以便加以从源头上对污染源进行控制。

当通过了长时间的定期检测，数据积累后，可以为修订排放标准提供科学依据。

（2）对某一区域内大气的监测。

是为了了解和掌握环境污染的情况，进行大气质量评估。

同时也为某些大中型城市的城市规划、防护隔离等提供科学的依据。

（3）对特定的目标进行检测。

这是选定某一种或者多种污染物进行的特定的监测。

如火力发电站附近的对上呼吸道有刺激性的SO2气体进行检测。

因此，监测是研究这一类问题的主要目的。

在很长一段时间，我国的空气质量检测技术和监控网络都远远落后于一些西方发达国家，当点式的空气质量监测仪日趋成熟完善，美国率先大力普及，日本不甘落后的时候，我国虽然紧随其后，加大了采用这种检测仪器的力度，但由于特殊的国情和各种因素的限制，点式的空气质量监测仪在我国的普及程度远远低于欧美和日本，且在安装技术和安装水平上的限制，我国在点式监测仪上的运行成本要远远高于同种设备在欧美国家的成本。

[1]

随着科学技术的发展，出现了开放式的空气质量监测系统，这种系统主要是采用线状形式进行空气质量监测的采样，相对于传统的监测系统，灵敏度更高一些，同时，由于其特殊的采样方式，使得采集到的样本，通过科学的分析得出的结果更加具有客观性和准确性，更能代表这个区域的空气状况，而且，使用的寿命长，护理量很小，因此，有着远远低于传统空气质量监测系统的运行成本。

[2]

国内外空气质量监测系统的研究状况

现在主流的关于空气质量监测的技术主要有三个：

1.点式的空气质量监测仪。

这个系统应用的是比较成熟的检测方案，具有完善的布点理论、数据统计理论、污染成因和演变趋势模型理论。

目前在美国的有4000多个监测点，日本有2000多个监测点。

在我国也大量使用。

该方法已经成为空气自动检测技术的主导方向。

但是该系统只能检测一个或者最多两个参数。

安装形式有两种：

固定站房式和车载式。

它能够在无人值守的情况下，维持现场系统的采样运行，记录现场仪器的数据和运行状态，通过多种通讯方式与环境检测中心站进行数据的传输。

该系统的仪器原理大部分是采用物理光学为基础的光谱测量分析[3]，测量精度高，结构简单，造价不高，响应时间短，能够及时地反映大气质量浓度变化情况。

并能够组成自动监测网络，实现监测数据自动传输远程故障诊断功能。

在空气质量系统的各个监测参数中，CO采用的非分散红外吸收法，SO2采用的紫外荧光法。

它的不足之处在于这类空气质量监测系统需要单独建立站房，并且监测仪对温度的要求很高，站房内必须靠空调恒温，仪器才能正常工作，另外仪器电路复杂，维护成本高，监测的极限也有待进一步的提高。

2．空气质量自动监测系统。

这个系统的监测项目有PM10、NO、CO、SO2、温度、湿度、风向和风速等，有的设备还有有机物自动检测仪、降水自动采样器。

一直被认为是空气质量检测最有效的手段。

但是，目前该系统的研究生产主要集中在美国、法国、日本等国家。

国内大部分这种空气质量监测系统采用的基本上是传统的数据采集传输方式。

虽然该系统能检测很多的项目，检测精度也很高，但是其设备系统一般比较复杂和庞大，检测终端的位置选择和周围条件的要求也比较严格。

设备投资大，检测点的数量受到限制，一般的城市只能安装几个监测点，不适合现在城市快速发展的需要。

3．开放式空气质量监测系统。

差分吸收光谱法的大气质量监测系统的特点是采用线采样，其采样代表性较传统的点式有较大的改善，有利于对空气质量的表征。

并且能分时测量SO2、CO2和O3三个参数，还能测量其他有机污染参数。

具有灵敏度高、分辨率高、多分组、测量结果具有更好的代表性、维护量少、维护周期短、运行成本低的特点。

它的不足之处有，这种方法测量的是直线上的线平均浓度，仅能测出污染物的相对浓度，很难获得绝对浓度，必须精确测量距离，方可换算为某一直线上的平均浓度。

这种技术只适用于具有窄带吸收结构的气体，从而限制了可测气体的种类，大气中以及污染物控制中许多物质，由于吸收太弱，而不能被探测到。

许多物质比如CO，因在紫外线一可见间没有吸收，从而不能被这种方法测量。

虽然技术可同时测量多种气体，但是由于不同气体的最佳光程不同，不同的气体监测需要安装不同的光程和接收装置，要在相距几公里的两个地区安装仪器，并且要能够相互看见，所以，也是相当麻烦。

本系统对测量环境的要求较高，有雾，降雪以及空气悬浮物多的情况均影响监测，仪器会显示光信号较弱，不能进行监测。

从20世纪70年代开始，发达国家陆续建立起空气质量监测系统。

到目前为止，美国已经建立起了一系列全方位的立体空气质量监测网络，包括SLAMS，NAMS和SPMS。

能够实时在线监测联邦政府规定的常规大气污染物和其他挥发性有机化合物，灰霾和化学烟雾污染物等。

并形成颁布了一整套关于监测网络设计、监测方法、标准操作步骤、站点选择和配置、数据处理和通讯的技术、指