網(wǎng)格化在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

KLR-W01 

一、       前言

國(guó)家對(duì)于環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)控，傳統(tǒng)采用的是固定站+便攜式的模式。由于價(jià)格昂貴導(dǎo)致鋪設(shè)的站點(diǎn)非常的稀松，基本城市多也就是每個(gè)區(qū)一個(gè)站點(diǎn)，每個(gè)市另外配備5套便攜式設(shè)備。已北京市為例，已經(jīng)算全國(guó)監(jiān)測(cè)設(shè)備貴，站點(diǎn)設(shè)置密集的城市。長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)的站房總共是24個(gè)，備用站房是12個(gè)。采用的檢測(cè)方法大多數(shù)都是紅外、紫外、化學(xué)發(fā)光法等，建站費(fèi)用將近100萬(wàn)/站點(diǎn)，維護(hù)費(fèi)用高達(dá)10萬(wàn)/年，平均每3天就要進(jìn)行人工校準(zhǔn)所浪費(fèi)的人力就無(wú)法估算了。即便如此，能覆蓋到的地方也是微乎其微，平均每個(gè)站點(diǎn)能監(jiān)測(cè)到的也多不過(guò)直徑2公里以?xún)?nèi)的氣體污染情況，如此計(jì)算下來(lái)24個(gè)站點(diǎn)也就多覆蓋了48公里的監(jiān)測(cè)范圍。并且每個(gè)站點(diǎn)的參數(shù)都是標(biāo)準(zhǔn)6參數(shù)。按照國(guó)家頒布的要求，網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)部署HJ 664—2013標(biāo)準(zhǔn)，的是每500米-4公里設(shè)立一個(gè)小型監(jiān)測(cè)探頭。北京市總共16410.54平方公里，單按一個(gè)站點(diǎn)覆蓋2公里計(jì)算那么都需要8205臺(tái)儀器。對(duì)于工業(yè)城市污染特征氣體、無(wú)組織排放氣體（如垃圾填埋場(chǎng)的VOC、惡臭等）監(jiān)測(cè)不足。發(fā)布的時(shí)效性較差，都是檢測(cè)后人工整理數(shù)據(jù)后再發(fā)布。數(shù)據(jù)真實(shí)性無(wú)法追溯，因?yàn)閿?shù)據(jù)從儀器導(dǎo)出后的數(shù)據(jù)是可進(jìn)行人工修改的。對(duì)于國(guó)家環(huán)保執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)無(wú)人監(jiān)管，導(dǎo)致數(shù)據(jù)是否超標(biāo)無(wú)能力過(guò)問(wèn)。

構(gòu)建地理信息系統(tǒng)的空氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)、預(yù)警、預(yù)報(bào)平臺(tái)。實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格化、大面積聯(lián)防聯(lián)控，大氣污染溯源通量解析。搭建工業(yè)園區(qū)環(huán)境安全一體化監(jiān)控平臺(tái)。促進(jìn)環(huán)境污染大數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。需要低成本、小型化多參數(shù)的在線環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀作為現(xiàn)有國(guó)控點(diǎn)的補(bǔ)充。需要結(jié)合云計(jì)算，為管理部門(mén)和公眾提供實(shí)時(shí)的環(huán)境空氣質(zhì)量發(fā)布服務(wù)。需要結(jié)合大數(shù)據(jù)，推演無(wú)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)及預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。需要結(jié)合大數(shù)據(jù)，分析工廠排污特征，實(shí)現(xiàn)在線遠(yuǎn)程監(jiān)管污染偷排。

二、       應(yīng)用領(lǐng)域

1.    城市環(huán)境監(jiān)測(cè)：

城市空氣環(huán)境質(zhì)量評(píng)測(cè)系統(tǒng)、垃圾填埋、垃圾場(chǎng)監(jiān)測(cè)、氣象站配套監(jiān)測(cè)、家庭空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)。

2.    工業(yè)及廠界監(jiān)測(cè)：

工業(yè)園區(qū)廠界監(jiān)測(cè)、工業(yè)廠區(qū)常規(guī)排放有毒氣體監(jiān)測(cè)、發(fā)電廠、油田、石化廠、礦業(yè)、廢舊垃圾再加廠區(qū)監(jiān)控、污水處理廠、點(diǎn)源污染監(jiān)測(cè)、機(jī)場(chǎng)、港口、在建建筑工地。

3.    其他空間監(jiān)測(cè)：

林業(yè)環(huán)境評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)臭氧殺蟲(chóng)、消毒監(jiān)測(cè)、養(yǎng)殖場(chǎng)飼養(yǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)、實(shí)驗(yàn)室分析、坑道、下水道、管道等檢測(cè)。

三、       檢測(cè)依據(jù)

1.    GB 3095 大氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

四、       系統(tǒng)概述

城市空氣污染氣象條件監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)由多臺(tái)在線環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端、大數(shù)據(jù)云平臺(tái)服務(wù)軟件以及用戶(hù)終端APP三部分組成。該系統(tǒng)主要設(shè)備可在居民區(qū)、公路邊、大型商圈、工業(yè)園區(qū)等位置成網(wǎng)狀鋪設(shè)。通過(guò)對(duì)大氣污染物以及環(huán)境氣象條件的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)結(jié)合大數(shù)據(jù)與云計(jì)算等新技術(shù)，大氣污染過(guò)程的模擬分析，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)污染物轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)環(huán)境空氣質(zhì)量的總體形勢(shì)預(yù)報(bào)。

圖：系統(tǒng)應(yīng)用框圖

五、       系統(tǒng)主要特點(diǎn)

1、 功能完善：?jiǎn)闻_(tái)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)終即可實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境空氣中的常規(guī)有害氣體的監(jiān)測(cè)，主要包括SO₂、NO₂、CO、O₃、PM_2.5、PM10、氣象五參數(shù)；（氣象五參數(shù)、太陽(yáng)能板、通訊SIM卡為非標(biāo)配）

2、 低成本：?jiǎn)闻_(tái)終端的成本不到環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的10%；

3、 高：氣體部分檢測(cè)達(dá)到ppb級(jí)，PM_2.5檢測(cè)達(dá)到0.001ug/m-³  

4、 供電靈活：太陽(yáng)能與AC220V市電自由切換；

5、 實(shí)時(shí)：通過(guò)GPRS等網(wǎng)絡(luò)和軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)終端實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)顯示；

6、 準(zhǔn)確定位：內(nèi)置雙模GPS+北斗定位系統(tǒng)，準(zhǔn)確可靠定位數(shù)據(jù)來(lái)源；

7、 運(yùn)維簡(jiǎn)易：該終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，可靠性高，安裝維護(hù)方便；

六、       在線空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端的組成及原理

該終端由氣體監(jiān)測(cè)部分、氣象條件監(jiān)測(cè)部分、粉塵監(jiān)測(cè)部分、數(shù)據(jù)通信部分、電源五部分組成。

圖：在線環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀結(jié)構(gòu)組成圖

氣體部分可實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)空氣中的SO₂、NO₂、CO、O₃濃度，達(dá)到ppb級(jí)

氣象部分可監(jiān)測(cè)環(huán)境中的風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、大氣壓力共五個(gè)參數(shù)的變化；

粉塵部分用于監(jiān)測(cè)環(huán)境當(dāng)中的可吸入顆粒物PM2.5（PM10等可擴(kuò)展）的實(shí)時(shí)濃度；

數(shù)據(jù)通信部分由通信模塊DTU、GSM、及INTERNET網(wǎng)絡(luò)組成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和服務(wù)器之間的實(shí)時(shí)通訊。

電源部分采用了較大功率的太陽(yáng)能電池板，以及大容量的儲(chǔ)能設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)不間斷工作。

圖：在線環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端實(shí)物圖

七、       各部分檢測(cè)參數(shù)與方法：

1.    氣體監(jiān)測(cè)部分：

1.    氣體檢測(cè)部分工作原理

本儀器采用高靈敏度電化學(xué)傳感器原理，結(jié)合單片機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，可以連續(xù)監(jiān)測(cè)大氣中的SO2、NO2、O3、CO、H2S、NH3、HF氣體，按需要顯示需要的測(cè)量數(shù)據(jù)。首先由抽氣泵將環(huán)境空氣通過(guò)過(guò)濾器，經(jīng)流量調(diào)節(jié)器后分別以300ml/min的流量送到傳感器氣室，通過(guò)傳感器時(shí)所產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)放大、A/D轉(zhuǎn)換后，由微處理器進(jìn)行采集、計(jì)算、數(shù)據(jù)處理，產(chǎn)生濃度結(jié)果數(shù)據(jù)，同時(shí)保存數(shù)據(jù)結(jié)果或通過(guò)RS485串行接口送至信息中心。

對(duì)于空氣中微量氣體的檢測(cè)，不同氣體之間的交叉干擾尤其突出，如處理不好，對(duì)測(cè)試結(jié)果會(huì)產(chǎn)生極大的影響。我們采用了兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)解決了此問(wèn)題：一是采用面對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量專(zhuān)用傳感器；二是使用選擇性合適過(guò)濾器，由此使本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。

2.    氣體傳感器的工作原理：

傳感器通常由三個(gè)電極構(gòu)成，其中主要的是工作電極。它通常是用一種具有催化活性的金屬，例如：鉑，將其噴鍍?cè)谝环N透氣但是憎水的膜上做成。被測(cè)量的氣體擴(kuò)散透過(guò)多孔的膜在其上進(jìn)行氧化或還原反應(yīng)。其反應(yīng)的性質(zhì)以工作電極的熱力學(xué)電位和分析氣體的（氧化還原）性質(zhì)而定。氧化還原反應(yīng)中參加反應(yīng)的電子，流向（還原）或流出（氧化）工作電極，通過(guò)外電路成為傳感器的輸出信號(hào)。為了氧化還原反應(yīng)得以進(jìn)行，工作電極的熱力學(xué)電位是一個(gè)極為重要的因素。參考電極則是為了提供電解中的工作電極具有一種穩(wěn)定的電位而設(shè)。參考電極通常需要保護(hù)，使之不暴露在樣氣中，這樣參考電極的熱力學(xué)電位就總是具有同一數(shù)值保持穩(wěn)定。此外，參考電極不允許有電流需要的第二電極，它的作用主要是允許電子進(jìn)入或流出傳感器內(nèi)部。

    控制工作電極電位和將信號(hào)電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的電路稱(chēng)之恒電位電路（或恒電位器）。工作電極的工作信號(hào)需經(jīng)運(yùn)放U2轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。電路同時(shí)保持工作電極的電壓使之處于其偏壓Vbias之值。參考電極電位與一個(gè)經(jīng)過(guò)仔細(xì)選擇的穩(wěn)定的輸入電壓Vbias比較后，線路中運(yùn)放U1在對(duì)電極產(chǎn)生一電壓信號(hào)，其大小正好是產(chǎn)生一個(gè)與工作電極電流相等相反的電流信號(hào)。同時(shí)恒電位電路使工作電極與參考電極之間保持一恒定的電位差（電壓）。特點(diǎn)：檢測(cè)達(dá)ppb級(jí)，傳感器體積小、日常維護(hù)簡(jiǎn)便

2.    粉塵監(jiān)測(cè)部分：

采用激光光源，內(nèi)裝光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)散板,確保儀器高穩(wěn)定性。儀器設(shè)計(jì)了可更換的粒子切割頭，兼容了PM10、PM5、 PM2. 5 、 TSP多種粒子分離切割。在線濾膜采樣器，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)監(jiān)測(cè)粉塵濃度，可與濾膜采樣兼容，可以分析所收集到的顆粒物成份，并可求出該場(chǎng)所的質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)換系數(shù)K值。 設(shè)計(jì)了恒流控制器， 確保采樣流量恒定，切割曲線的正確。具有特別的保護(hù)氣幕，避免了粉塵對(duì)儀器部件—光學(xué)系統(tǒng)的污染，確保儀器高可靠性。通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)儀器零點(diǎn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，提高了儀器測(cè)量，方便了用戶(hù)使用。

特點(diǎn)：響應(yīng)時(shí)間短，實(shí)時(shí)性好，能實(shí)現(xiàn)每分鐘出一個(gè)濃度數(shù)據(jù)

3.    控制器：

對(duì)于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由于現(xiàn)安裝的報(bào)警器無(wú)RS485通信功能，由于該產(chǎn)品是我公司所生產(chǎn)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查可以將現(xiàn)有主板做硬件升級(jí)，而其它部件不需要增加的情況下，就可以完成系統(tǒng)升級(jí)方案的要求。所以只需要更換或更新主板，并升級(jí)8個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主板程序即可實(shí)現(xiàn)。升級(jí)后主板右下角部分將有RS485通信接口用于空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸使用。如下圖所示：

4.    系統(tǒng)通信方案

采用基于GPRS上網(wǎng)方式的DTU數(shù)據(jù)采集模塊，使用無(wú)線的方式將數(shù)據(jù)通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇諝赓|(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工控機(jī)。

3.    氣象監(jiān)測(cè)部分（選配）：

采用脈沖原理對(duì)風(fēng)速、風(fēng)向進(jìn)行測(cè)量，大氣壓力、溫度濕度采用進(jìn)口數(shù)字型高精密傳感器進(jìn)行測(cè)量。體積小但自我保護(hù)做得比較好因此不會(huì)受到戶(hù)外的惡劣氣候的影響比如高溫、高濕、低溫、大風(fēng)等。傳感器都采用的國(guó)外進(jìn)口芯片以保證測(cè)量的準(zhǔn)確度。

特點(diǎn)：測(cè)量范圍寬，高，穩(wěn)定性好

4.    大數(shù)據(jù)云平臺(tái)服務(wù)軟件：

基于在線空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端的功能全面、成本低以及其他顯著的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)在特定區(qū)域內(nèi)的相對(duì)密集的布點(diǎn)監(jiān)測(cè)。通過(guò)大量的布點(diǎn)，組成廣泛的監(jiān)測(cè)平面，而非孤立的一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，因此能夠有效的對(duì)那些距離環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站較遠(yuǎn)、周邊可能存在的空氣污源、以及地理位置特殊等條件下的環(huán)境空氣質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

采用云服務(wù)器包括：主系統(tǒng)服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、運(yùn)行控制服務(wù)器、用戶(hù)服務(wù)器、備份服務(wù)器等組成的云平臺(tái)，保障了快速和智能的環(huán)境數(shù)據(jù)處理能力。

圖：數(shù)據(jù)鏈路圖（衛(wèi)星）

5.    管理平臺(tái)展示

公司將通州測(cè)試的4個(gè)點(diǎn)站點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)在https://124.200.27.123:8080/網(wǎng)站進(jìn)行公布，歡迎用戶(hù)隨時(shí)登錄查看。登錄網(wǎng)站后，只需輸入驗(yàn)證碼點(diǎn)登錄即可。

數(shù)據(jù)頁(yè)

主要功能

1、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在線查看、歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)導(dǎo)出、用戶(hù)密碼重置和修改、系統(tǒng)管理、權(quán)限分級(jí)管理、導(dǎo)出數(shù)據(jù)防護(hù)等功能。

2、該平臺(tái)為測(cè)試及展示平臺(tái)，系統(tǒng)功能會(huì)隨客戶(hù)需求進(jìn)行修改。目前啟動(dòng)了01-04四個(gè)測(cè)試站點(diǎn)，測(cè)試數(shù)據(jù)為每5分鐘更新，測(cè)試數(shù)據(jù)為直接測(cè)試結(jié)果無(wú)人工進(jìn)行調(diào)整。

6.    用戶(hù)端

主要功能

1.           將以衛(wèi)星云圖的形式進(jìn)行展示，可提供PC端查看和手機(jī)端等形式查看。同樣可以根據(jù)客戶(hù)需求進(jìn)行調(diào)整，展示的方式和內(nèi)容。

2.           參考國(guó)家AQI標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級(jí)顯示，用顏色來(lái)區(qū)分。

0-50    為用綠色圓點(diǎn)表示

51-100  為二級(jí)用黃色圓點(diǎn)表示

101-150為三級(jí)用橙色原點(diǎn)表示

151-200為四級(jí)用紅色原點(diǎn)表示

201-300為五級(jí)用深紅色原點(diǎn)表示

301-400為六級(jí)用紫色原點(diǎn)表示

401-500為七級(jí)用黑色圓點(diǎn)表示

3.           報(bào)警值以及報(bào)警形式由客戶(hù)需求選定

AQI標(biāo)準(zhǔn)

技術(shù)指標(biāo)

1.    氣體技術(shù)指標(biāo)：

2.    PM2.5、PM10技術(shù)參數(shù)

3.    空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀其它性能指標(biāo)：

工作溫度：       5-40oC

存儲(chǔ)溫度：       -20-40oC

工作濕度：       ≤15%-85%RH非冷凝

零    漂：       ±2%F.S

量程零漂：       ±3%F.S

響應(yīng)時(shí)間：       <150s

傳感器工作壽命： >2年

采樣流量：       300ml/min

采樣方式：       泵吸式

供電方式：       外置太陽(yáng)能板

                 外接交流電供電(AC220V 50Hz1.0A)

4.    溫度測(cè)量范圍及：

測(cè)量范圍：-40℃～+50℃；測(cè)量：±0.1℃。

5.    濕度測(cè)量范圍及：

測(cè)量范圍：0～100%RH；測(cè)量：±2%RH。

6.    大氣壓強(qiáng)測(cè)量范圍及：

測(cè)量范圍：30KPa～110KPa；測(cè)量：±0.03HPa

7.    風(fēng)速測(cè)量范圍及：

測(cè)量范圍：1～30m/s；測(cè)量：±0.1m/s;

8.    風(fēng)向測(cè)量范圍及：

測(cè)量范圍：0～360° 16方位，22.5°/方位；測(cè)量：±22.5°。