CN107561215A - 一种网格化微型空气质量监测子站 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种网格化微型空气质量监测子站，包括：中央处理器、传感器组件、移动网络传输模块、供电模块、电池电压检测模块、数据存储器、服务器，其中中央处理器分别与传感器组件、移动网络传输模块、供电模块、电池电压检测模块和数据存储器连接，移动网络传输模块与服务器连接，并且移动网络传输模块包括GSM单元和GNSS单元。本发明其可以为局部地区空气量变化的动态分析提供数据，从而在污染成因、污染源解释方面、重污染应对方面为国家和环境保护主管部门提供可行性解决方案。
Description
技术领域
本发明涉及环保技术领域，具体地是涉及一种网格化微型空气质量监测子站。
背景技术
根据2016年环境保护部发布的《“十三五”环境监测质量管理工作方案》和《关于加强环境空气自动监测质量管理的工作方案》以及相关数据可知，目前，我们国家338个地级及以上城市已建成1436个国家城市环境空气自动监测站，这些自动监测站实时向国家环境监测总站传输监测数据，所有监测数据在经过相关部门审核后，下发到省、市一级的环境监测部门，并形成空气质量相关数据和预报。
空气质量自动监测站提供的空气质量监测数据反映的是当地空气质量的综合状况。这种空气质量自动监测站有其自身的缺陷。其中，最大的缺陷是：由于建设和运营维护成本高(全国城市级只有1436个)，因此不适合大面积建设；另外，由于监测点和监测点之间距离远，无法分析局部地区空气质量的动态变化情况，从而导致无法针对污染的成因进行具体的分析，这样，当发生污染时，无法根据污染情况制定相对的应急措施。例如2016年至2017年初，在京津冀地区发生多次持续重度雾霾天气，鉴于环保压力，一些地方采取了“污染企业全部关停”这种一刀切的方式，甚至逮捕了很多违规企业的职工，这在社会上引起不少的反响。
我们知道，污染源自动监测包括废水和废气监测，其中影响空气质量的主要是废气排放。那么，如果单独利用污染源自动监测数据能否解决上述问题呢？由于空气污染是一个复杂的问题，不仅仅与本地的废气排放有关，与地形、周边地区环境、气象等都有关系，因此单纯靠污染源自动监测仍然不能制定应对措施。
因此，本发明的发明人亟需构思一种新技术以改善其问题。
发明内容
本发明旨在提供一种网格化微型空气质量监测子站，其可以为局部地区空气量变化的动态分析提供数据，从而在污染成因、污染源解释方面、重污染应对方面为国家和环境保护主管部门提供可行性解决方案。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种网格化微型空气质量监测子站，包括：中央处理器、传感器组件、移动网络传输模块、供电模块、电池电压检测模块、数据存储器、服务器，其中所述中央处理器分别与所述传感器组件、所述移动网络传输模块、所述供电模块、所述电池电压检测模块和所述数据存储器连接，所述移动网络传输模块与所述服务器连接，并且所述移动网络传输模块包括GSM单元和GNSS单元。
优选地，所述传感器组件包括电化学传感器、颗粒物传感器和/或温湿度传感器，其中每一所述电化学传感器均通过一电化学传感器电路与所述中央处理器电连接，所述颗粒物传感器和所述温湿度传感器通过数字接口与所述中央处理器电连接。
优选地，所述电化学传感器电路包括依次连接的运算放大器、低通滤波器、模数转换器，其中所述运算放大器的输入端与所述电化学传感器连接，所述模数转换器的输出端与所述中央处理器连接。
优选地，所述颗粒物传感器上设有进风口和出风口，其内设有微型风扇。
优选地，所述电化学传感器包括但不限于SO2电化学传感器、NO2电化学传感器、CO电化学传感器、O3电化学传感器。
优选地，所述移动网络传输模块通过一个数字接口实现与所述中央处理器的连接。
优选地，所述模数转换器通过数字接口实现与所述中央处理器的连接。
优选地，所述中央处理器为微控制器。
优选地，所述数据存储器为FLASH数据存储器。
采用上述技术方案，本发明至少包括如下有益效果：
本发明所述的网格化微型空气质量监测子站，在确保测量精度的条件下，一方面，将空气质量监测微型化，大幅度降低前期建设投入和后期运营维护成本；另一方面，实现空气质量网格化监测，为局部地区空气量变化的动态分析提供数据，从而在污染成因、污染源解释方面、重污染应对方面为国家和环境保护主管部门提供可行性解决方案。
附图说明
图1为本发明所述的网格化微型空气质量监测子站的结构示意图；
图2为本发明所述的网格化微型空气质量监测子站的电路原理图。
其中：1.SO2电化学传感器，2.NO2电化学传感器，3.CO电化学传感器，4.O3电化学传感器，5.运算放大器，6.低通滤波器，7.模数转换器，8.中央处理器，9.移动网络传输模块，10.颗粒物传感器，11.微型风扇。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图2所示，为符合本发明的一种网格化微型空气质量监测子站，包括：中央处理器8、传感器组件、移动网络传输模块9、供电模块、电池电压检测模块、数据存储器、服务器，其中所述中央处理器8分别与所述传感器组件、所述移动网络传输模块9、所述供电模块、所述电池电压检测模块和所述数据存储器连接，所述移动网络传输模块9与所述服务器连接，并且所述移动网络传输模块9包括GSM单元和GNSS单元(GPS+北斗)。
优选地，所述传感器组件包括电化学传感器、颗粒物传感器10和/或温湿度传感器，其中每一所述电化学传感器均通过一电化学传感器电路与所述中央处理器8电连接，所述颗粒物传感器10和所述温湿度传感器通过数字接口与所述中央处理器8电连接。
优选地，所述电化学传感器电路包括依次连接的运算放大器5、低通滤波器6、模数转换器7，其中所述运算放大器5的输入端与所述电化学传感器连接，所述模数转换器7的输出端与所述中央处理器8连接。
优选地，所述颗粒物传感器10上设有进风口和出风口，其内设有微型风扇11。
优选地，所述电化学传感器包括但不限于SO2电化学传感器1、NO2电化学传感器2、CO电化学传感器3、O3电化学传感器4。
优选地，所述移动网络传输模块9通过一个数字接口实现与所述中央处理器8的连接。
优选地，所述模数转换器7通过数字接口实现与所述中央处理器8的连接。
优选地，所述中央处理器8为微控制器。
优选地，所述数据存储器为FLASH数据存储器。
优选地，所述电池电压检测模块为BMS电池管理***，其分别与所述供电模块和所述中央处理器8连接。由于所述BMS电池管理***为现有技术中的常规模块，本领域技术人员应当知晓，故本实施例对此不作赘述。
本实施例的工作原理在于：网格化微型空气监测子站测量的主要参数有SO2、NO2、CO、O3、PM10、PM2.5、温度、湿度、PM10颗粒物个数、PM5.0颗粒物个数、PM2.5颗粒物个数、PM1.0颗粒物个数、PM0.5颗粒物个数、经纬度地理位置信息、移动速度和方向等。其中中央处理器8主要用于实现所有数据的采集、存储、传输、低功耗控制等。供电模块(优选为太阳能供电***)给网格化微型空气监测子站提供电源，从而避免接入市电的麻烦。GSM单元实现测量数据的GPRS上传功能。GNSS单元通过GPS和北斗联合定位功能，实时获取位置和移动信息。电池电压监测模块实现电池电压的实时监测。数据存储器用于实现数据的存储。电化学传感器电路用于实现放大和采集各种电化学传感器的信号。颗粒物传感器10用于实现主要颗粒物PM10、PM2.5的计算和各种粒径颗粒物个数的统计。温湿度传感器用于实现对温度和湿度的数据采集。本实施例中所述的各种传感器均在现有技术中有售，故本实施例对此不作赘述，本领域技术人员应当知晓。
具体实施方式如下：
1、整体功能具体实施方式
如图1所示，SO2、NO2、CO、O3都是电化学传感器，颗粒物传感器10是数字接口，中央处理器8通过采集这些传感器的信号，并进行相关计算，产生需要的浓度信号，然后将浓度信号存储于FLASH数据存储器，同时通过GSM单元连接到远程服务器，将浓度信号传输到服务器上，在传输的同时，通过GNSS单元获得位置信息，根据两次的位置信息计算出位置是否有偏移，当判断偏移距离超过报警距离时，即产生被盗报警信号。
2、传感器具体实施方式
网格化微型空气监测子站采集的电化学传感器信号是微弱的nA级电流信号，因此需要采用低输入失调电流、低输入失调电压、低输出温漂的高精度运算放大器5。这样才能保证采集的微弱信号不受影响和干扰。为了使输出信号稳定，消除各种高频干扰，在高精度运算放大器5的输出端需要经过一级低通滤波放大器。微弱的电化学传感器信号虽然经过放大，但仍很微弱，因此需要采用高精度的模拟/数字转换器，从而实现采集的信号的分辨率精度足够高。由于共有4路电化学传感器，因此选择的模拟/数字转换器应该是带开关切换的多通道模拟/数字转换器。
具体地，如图2所示，电化学传感器的nA级电流经过高精度运算放大器5放大后，输出为mv级电压信号；输出的电压信号经过低通滤波器6，过滤掉高频干扰；稳定的信号输入到16位高精度模拟/数字转换器(分辨率1/65536)，使测量的信号能够准确到0.01mv，完全能够满足测量的要求。16位高精度模拟/数字转换器通过数字接口与中央处理器8进行通信，完成不同信号通道的切换和信号的采集。
颗粒物传感器10上有进风口和出风口，自带微型风扇11，风扇将空气从进风口吸入颗粒物传感器10内，从出风口排除空气，在整个气路中利用光散射原理，测量空气中的颗粒物浓度和各种不同粒径的颗粒物个数。测量结果通过数字接口传送给中央处理器8。
本实施例中，网格化微型空气质量监测子站的电化学传感器的测量属于被动测量，只有外界空气扩散到电化学传感器内部时，才能得到有效的测量结果，这使得测量的实时性比较差。为了能够实时得到测量结果，需要增加气路，使外界空气实时进入电化学传感器内部。考虑功耗以及流量的限制因素，需采用低电压超低速直流微型风扇。为了提高分辨率，需采用低量程的空气质量监测专用电化学传感器。
故本实施例优选选用3.3V的微型低速风扇，以400mL/min的超低速度将外界新鲜空气吸入传感器，满足传感器的实时测量要求，同时在微型风扇和传感器之间增加除湿过滤装置，使空气的湿度满足测量的要求，新鲜空气经过电化学传感器后，从电化学传感器的两侧回到空气中。
网格化微型空气站的SO2电化学传感器采用0-1000ppb的量程、CO电化学传感器采用0-20ppm的量程、NO2电化学传感器采用0-250ppb的量程、O3电化学传感器采用0-250ppb的量程。这样的测量范围，将大大提高测量的分辨率。
当然，本实施例并不对上述电化学传感器的具体量程进行限定，本领域技术人员完全可以根据实际的使用需求进行相应的调整，即为了实现更精确的测量，还可以进一步提高各种电化学传感器的量程。故任何显而易见的变化和调整均在本实施例的保护范围之内。
3、防盗功能具体实施方式
由于网格化微型空气监测子站实现了微型化，为了防止被取走，需要提供防盗功能。在防盗时，如果GSM天线或者GNSS天线被取走，则无法实现报警，这也是需要解决的问题。GNSS功能集GPS和北斗定位于一体，定速快，精度更高，是很好的解决方案。
本实施例中将GSM单元和GNSS单元功能集成于一体的微功耗移动网络传输模块9，能够通过一个数字接口实现与中央处理器8的连接。中央处理器8通过数字接口，实现控制GSM单元和GNSS单元的定时开机功能，当开机后，通过GNSS单元获得本次的位置信息，然后与上次获得的位置信息相比较，通过经纬度以及地球半径的几何关系，计算出两次位置的偏差，如果两次的位置偏差超过正常值，则触发报警，报警后，GSM单元和GNSS单元将每隔1秒钟向服务器发送一次位置信息，同时向相关负责人发送报警短信息。
4、低功耗技术解决方案
网格化微型空气监测子站既要实现微型化，又要测量很多传感器参数；同时需要考虑连续阴雨天的电池供电情况。因此，网格化微型空气监测子站对功耗的要求非常高。在整个电路中，GSM单元、GNSS单元、颗粒物测量是耗电最大的部分，因此电路设计时，需要考虑对它们的电源控制。
本实施例中，由于GSM单元和GNSS单元采用了all in one集成模式，大大简化了设计，同时最大程度的降低了功耗；另外，如图2所示，无论是GSM单元还是GNSS单元的电源都可以独立控制，在间歇式工作模式中，可以大量减少工作时间，从而降低功耗。另外颗粒物传感器10在工作时，风扇是最大的耗电单元，在间歇式工作模式中，在不工作时，中央处理器8可以通过数字接口控制颗粒物传感器10进入休眠模式，使风扇停止工作，这样也能最大程度地降低颗粒物传感器10的功耗。
另外，整个***设计，优选采用低电压锂电池供电，硬件用低压差稳压器LDO稳压，也能最大程度地降低电平转换过程中的电能损失。
本发明在确保测量精度的条件下，一方面，将空气质量监测微型化，大幅度降低前期建设投入和后期运营维护成本；另一方面，实现空气质量网格化监测，为局部地区空气量变化的动态分析提供数据，从而在污染成因、污染源解释方面、重污染应对方面为国家和环境保护主管部门提供可行性解决方案。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种网格化微型空气质量监测子站，其特征在于，包括：中央处理器、传感器组件、移动网络传输模块、供电模块、电池电压检测模块、数据存储器、服务器，其中所述中央处理器分别与所述传感器组件、所述移动网络传输模块、所述供电模块、所述电池电压检测模块和所述数据存储器连接，所述移动网络传输模块与所述服务器连接，并且所述移动网络传输模块包括GSM单元和GNSS单元。
2.如权利要求1所述的网格化微型空气质量监测子站，其特征在于：所述传感器组件包括电化学传感器、颗粒物传感器和/或温湿度传感器，其中每一所述电化学传感器均通过一电化学传感器电路与所述中央处理器电连接，所述颗粒物传感器和所述温湿度传感器通过数字接口与所述中央处理器电连接。
3.如权利要求2所述的网格化微型空气质量监测子站，其特征在于：所述电化学传感器电路包括依次连接的运算放大器、低通滤波器、模数转换器，其中所述运算放大器的输入端与所述电化学传感器连接，所述模数转换器的输出端与所述中央处理器连接。
4.如权利要求2所述的网格化微型空气质量监测子站，其特征在于：所述颗粒物传感器上设有进风口和出风口，其内设有微型风扇。
5.如权利要求2-4任一所述的网格化微型空气质量监测子站，其特征在于：所述电化学传感器包括但不限于SO2电化学传感器、NO2电化学传感器、CO电化学传感器、O3电化学传感器。
6.如权利要求1-5任一所述的网格化微型空气质量监测子站，其特征在于：所述移动网络传输模块通过一个数字接口实现与所述中央处理器的连接。
7.如权利要求3所述的网格化微型空气质量监测子站，其特征在于：所述模数转换器通过数字接口实现与所述中央处理器的连接。
8.如权利要求1-7任一所述的网格化微型空气质量监测子站，其特征在于：所述中央处理器为微控制器。
9.如权利要求1-8任一所述的网格化微型空气质量监测子站，其特征在于：所述数据存储器为FLASH数据存储器。
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