陸昕宇+李天予+江柯+許書綿+沈萬(wàn)里+沈行良

摘 要： 大氣污染導(dǎo)致的霧霾，已經(jīng)深度影響到了民眾的生活，大氣治理問(wèn)題已經(jīng)受到各方的高度重視。溯本逐源，從源頭控制污染物的排放，加上末端的綜合治理，才是大氣污染防治的治本之策。大氣霧霾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用霧霾檢測(cè)器和GPRS模塊數(shù)據(jù)傳送，將所在地霧霾情況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳輸給手機(jī)APP終端，手機(jī)接收之后將數(shù)據(jù)整合顯示給使用者，達(dá)到霧霾監(jiān)測(cè)和提前應(yīng)對(duì)惡劣天氣的作用。

關(guān)鍵詞： STM32微型處理器； GPRS； 霧霾檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TP242

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-2163（2017）02-0125-03

Abstract：Haze caused by air pollution has deeply impact on people's life， so great attention has been paid to atmospheric governance issues by the parties. Chasing back to the source， from the source controlling pollutant emissions， and at the end integrating the comprehensive treatment are the fundamental strategy for prevention and control of atmospheric pollution. In the big aerosol haze monitoring system， use fog detector and GPRS module to realize data transmission，real-time monitor haze situation of specified zone and transmit to mobile phone APP terminal， after receiving， display the results to the user for data integration， further achieve the fog monitoring and deal with bad weather ahead of time.

Keywords：STM32；GPRS； haze monitoring

0 引 言

由于霧霾天氣的時(shí)有發(fā)生，將直接影響到社會(huì)生產(chǎn)與生活，致使空氣質(zhì)量日益成為吸引人們矚目的熱點(diǎn)與焦點(diǎn)。霧霾是對(duì)大氣中各種懸浮顆粒物含量超標(biāo)的籠統(tǒng)表述，大氣中細(xì)顆粒物濃度的升高將直接導(dǎo)致霧中有毒有害物質(zhì)的大幅增加以及灰霾天氣發(fā)生頻率的連鎖遞增態(tài)勢(shì)。而經(jīng)研究可知，應(yīng)對(duì)霧霾污染、改善空氣質(zhì)量的首要任務(wù)即是檢測(cè)和控制大氣細(xì)顆粒物。顆粒對(duì)人的身體健康具有明顯負(fù)面效應(yīng)，因此人們?cè)桨l(fā)留意霧霾指數(shù)，就像關(guān)注天氣預(yù)報(bào)一樣，人們需要實(shí)時(shí)的檢測(cè)來(lái)判斷今日是否應(yīng)采取“防護(hù)措施”，政府也需要依據(jù)霧霾指數(shù)來(lái)對(duì)城市大型工業(yè)進(jìn)行整治，意在提速發(fā)展的同時(shí)也能著力保護(hù)人類自身賴以生存的環(huán)境。本次研究即以STM32、GPRS為基礎(chǔ)，霧霾檢測(cè)器為輔，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了低功耗、實(shí)時(shí)性強(qiáng)和使用方便的檢測(cè)系統(tǒng)。

1 總體設(shè)計(jì)方案

激光霧霾檢測(cè)技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在本領(lǐng)域得到廣泛普及應(yīng)用，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電路也已日趨成熟，在一定程度上已經(jīng)可以替代濾膜稱重法、β射線法和震蕩天平法、以及衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)，大幅降低成本。特別地，RS-232接口能方便地讀取數(shù)據(jù)。

PIC單片機(jī)連接霧霾傳感器、LCD、GPRS模塊，單片機(jī)先讀取霧霾傳感器的霧霾數(shù)據(jù)值，對(duì)收到的數(shù)據(jù)指定展開(kāi)截取、運(yùn)算、格式轉(zhuǎn)換，用GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)交由服務(wù)器加工處理，改進(jìn)組網(wǎng)的靈活性，擴(kuò)大了檢測(cè)范圍，提高采樣密度，通過(guò)增加檢測(cè)點(diǎn)，可以對(duì)整個(gè)區(qū)域霧霾狀況做到全面的掌控了解。

裝置設(shè)計(jì)時(shí)就考慮到大范圍的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分布點(diǎn)多，密度高，而要橫跨一個(gè)幅員寬廣的區(qū)域，就會(huì)帶來(lái)通信成本的大幅增加。為了降低成本，研究中采用GPRS的方式來(lái)無(wú)線傳送數(shù)據(jù)，能簡(jiǎn)捷便利地接入通信網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)傳輸速度快，實(shí)時(shí)性強(qiáng)。作為數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)如果采集得越多，霧霾分布狀況就會(huì)得到遍及全局的統(tǒng)計(jì)展示；接收數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性強(qiáng)，能夠掌握霧霾發(fā)展的動(dòng)向，便于及時(shí)探查霧霾的變化趨勢(shì)，為發(fā)布霧霾數(shù)據(jù)預(yù)報(bào)提供基礎(chǔ)重要依據(jù)。除此之外，還可以具體研發(fā)一個(gè)APP程序，充分利用手機(jī)實(shí)時(shí)接收霧霾的數(shù)據(jù)，便于支持實(shí)現(xiàn)工作和生活的安排，高效、快速地推進(jìn)霧霾預(yù)防工作和各類應(yīng)對(duì)措施的有利推廣展開(kāi)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

單片機(jī)PIC18F4520是整個(gè)系統(tǒng)控制的核心。利用攀藤科技PMS5003霧霾傳感器遵循激光散射原理，精確測(cè)量PM2.5濃度，并且低功耗、低成本。由霧霾傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)通過(guò)USART串口1傳輸給單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，這時(shí)數(shù)據(jù)會(huì)在系統(tǒng)版顯示器上控制得到輸出。單片機(jī)把霧霾傳感器接收到的數(shù)據(jù)在經(jīng)歷了處理和格式轉(zhuǎn)化進(jìn)程后，結(jié)果數(shù)據(jù)即通過(guò)串口2傳輸給GPRS模塊，此時(shí)GPRS模塊會(huì)通過(guò)無(wú)線電波將數(shù)據(jù)傳輸給電腦服務(wù)器，GPRS的數(shù)據(jù)傳送需要蜂窩網(wǎng)絡(luò)，中國(guó)在低空領(lǐng)域蜂窩網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了基本覆蓋，因此可以正常連接到GPRS網(wǎng)絡(luò)。

服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)將原始十六進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成十進(jìn)制，即預(yù)定提供霧霾數(shù)據(jù)發(fā)布讓使用者得知當(dāng)日霧霾指數(shù)，并顯示所在地各安置點(diǎn)霧霾區(qū)域的濃度指數(shù)繪圖；處理霧霾數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)拓展，傳遞更多有用的信息；在霧霾數(shù)據(jù)偏高的區(qū)域?qū)ふ椅廴驹?，同時(shí)提醒有關(guān)部門需于適當(dāng)時(shí)即轉(zhuǎn)入治理整治。

2 研究系統(tǒng)關(guān)鍵架構(gòu)分析

2.1 PIC18F4520單片機(jī)

單片機(jī)選用MICROCHIP公司出品PIC18F4520，CMOS 8位PIC系列單片機(jī)，芯片集成有A/D、內(nèi)部EEPROM儲(chǔ)存器、比較輸出、捕捉輸入、PWM輸出、I2C和SPI接口、CAN接口、異步串行通訊（USART）接口、FLASH程序儲(chǔ)存器等。配有較豐富的硬件資源和接口，方便地?cái)U(kuò)展外設(shè)，根據(jù)要求分別連接LCD、按鈕霧霾傳感器和GPRS模塊等組成小型檢測(cè)系統(tǒng)，精簡(jiǎn)指令易于整定編程。

2.2 傳感器模塊

關(guān)于霧霾傳感器的設(shè)置，研究中經(jīng)過(guò)反復(fù)比對(duì)，最終選取PMS5003作為監(jiān)測(cè)霧霾數(shù)據(jù)的傳感器。PMS5003是一款以經(jīng)濟(jì)型為亮點(diǎn)特色的霧霾傳感器，通過(guò)激光散射到空氣來(lái)測(cè)定空氣中懸浮顆粒物，折算到顆粒物質(zhì)量濃度。RS-232通訊接口輸出檢測(cè)到的霧霾數(shù)據(jù)，通過(guò)接口能方便地與計(jì)算機(jī)和單片機(jī)建立通訊。本傳感器可嵌入各種與空氣中懸浮顆粒物濃度相關(guān)的儀器儀表或環(huán)境改善設(shè)備，為其提供及時(shí)準(zhǔn)確的濃度數(shù)據(jù)。該模塊應(yīng)用原理的功能實(shí)現(xiàn)則如圖2所示。

2.3 GPRS模塊

GPRS技術(shù)的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸速度快，數(shù)據(jù)傳送過(guò)程安全可靠，時(shí)間響應(yīng)性能良好，能實(shí)時(shí)地傳輸霧霾檢測(cè)的數(shù)據(jù)。對(duì)于大區(qū)域、大范圍、點(diǎn)分散的數(shù)據(jù)傳送，難以聯(lián)成數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，采用GPRS技術(shù)是一種理想通訊方法，認(rèn)證后將全程連線工作，按流量計(jì)費(fèi)，而霧霾數(shù)據(jù)的字節(jié)量少，間斷式發(fā)送，這樣就大大降低運(yùn)行成本。GPRS把各個(gè)分散的數(shù)據(jù)傳送到一點(diǎn)上，用一套終端設(shè)備就能收集所有的數(shù)據(jù)，降低了設(shè)備和人力成本，方便維護(hù)。

選用SIM900A模塊來(lái)設(shè)計(jì)定義GPRS功能，可有效保障霧霾傳感器采集的數(shù)據(jù)成功獲得遠(yuǎn)距離傳輸，SIM900A是一款緊湊型、高可靠性的GPRS無(wú)線模塊，采用SMT封裝的雙頻GSM/GPRS模塊解決方案，而且協(xié)同配置了功能強(qiáng)大的處理器ARM9216EJ-S內(nèi)核，能滿足低成本、緊湊尺寸的開(kāi)發(fā)要求。這也正符合了本文設(shè)計(jì)的價(jià)格低廉但小巧實(shí)用的特性要求。在此，進(jìn)一步給出GPRS SIM900的原理結(jié)構(gòu)解析即如圖3所示。

3 GPRS與霧霾數(shù)據(jù)的分析

用GPRS通訊方式傳送霧霾數(shù)據(jù)，跨越了地域范圍，顯著優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)即是擴(kuò)大了檢測(cè)區(qū)間，大幅增加檢測(cè)密度，可以對(duì)全國(guó)的霧霾狀況格局給出細(xì)致梳理與完整展現(xiàn)，便于研究霧霾的形成、運(yùn)動(dòng)方向、污染范圍、發(fā)展趨勢(shì)，并為其提供有效的數(shù)據(jù)支持。通過(guò)GPRS獲得的數(shù)據(jù)具有強(qiáng)大的實(shí)時(shí)性，而且從時(shí)間段和區(qū)域范圍方面可獲得充足數(shù)據(jù)量，不需要自行組建傳輸網(wǎng)絡(luò)，大幅降低成本。通過(guò)GPRS通訊，把大量數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器上保存，使全國(guó)范圍的霧霾數(shù)據(jù)匯總集結(jié)在一起，把歷史的數(shù)據(jù)規(guī)范統(tǒng)一并整合在服務(wù)器上，形成大數(shù)據(jù)，為后期處理建立了良好信息基礎(chǔ)，進(jìn)而用來(lái)參與構(gòu)成霧霾監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)?？梢钥闯?，應(yīng)用GPRS技術(shù)來(lái)傳送霧霾檢測(cè)數(shù)據(jù)，把采集數(shù)據(jù)指定存儲(chǔ)作為大數(shù)據(jù)，以此為共享支撐數(shù)據(jù)源來(lái)設(shè)計(jì)研發(fā)空氣污染物擴(kuò)散模型，同時(shí)又融入人工智能、專家系統(tǒng)來(lái)升級(jí)探討霧霾狀況，對(duì)分析霧霾的形成、變化趨勢(shì)、預(yù)報(bào)、治理等發(fā)揮著切實(shí)重要的關(guān)鍵作用。主要功能內(nèi)容可闡釋如下：

1）采集全國(guó)各地或區(qū)域的AQI數(shù)據(jù)，通過(guò)GPRS傳送至一調(diào)控服務(wù)器，為霧霾分布狀況配置基礎(chǔ)必要數(shù)據(jù)，以此來(lái)分析霧霾的發(fā)展趨勢(shì)、變化軌跡和影響程度，為預(yù)報(bào)和決策提供依據(jù)。

2）經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的存儲(chǔ)記錄，形成了檢測(cè)大數(shù)據(jù)，能對(duì)全國(guó)、某城市和區(qū)域分別以時(shí)間、地區(qū)為橫軸將霧霾數(shù)據(jù)變化展開(kāi)對(duì)比研究，用以顯示剖析治理前后的變化效果如何，進(jìn)而探尋發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生原因。

3）關(guān)于采集的大量數(shù)據(jù)，可以靈活選擇諸如多個(gè)區(qū)域的霧霾數(shù)據(jù)列表、霧霾濃度柱狀圖、趨勢(shì)曲線等各種定制方式進(jìn)行效果需求偏好展現(xiàn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，空氣霧霾現(xiàn)象的出現(xiàn)使得環(huán)境治理日益成為社會(huì)焦點(diǎn)話題。環(huán)境問(wèn)題成為人類健康的困擾性威脅，在一定程度上影響了人們的日常出行和生產(chǎn)生活。國(guó)家也積極采取措施，管控霧霾的發(fā)展，首要課題即需解決對(duì)霧霾的實(shí)效檢測(cè)，小范圍霧霾檢測(cè)顯然并非良策，必須要在全國(guó)范圍來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)霧霾數(shù)據(jù)，才能優(yōu)化治理和預(yù)報(bào)霧霾。本研究即應(yīng)用GPRS通訊技術(shù)，設(shè)計(jì)提出全國(guó)范圍實(shí)時(shí)霧霾數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)，通過(guò)數(shù)據(jù)連貫性的可行性操作分析，對(duì)霧霾的遷移規(guī)律掌控、準(zhǔn)確預(yù)報(bào)、治理和建立大型霧霾數(shù)據(jù)庫(kù)提供必要實(shí)施條件。并且，隨著霧霾大數(shù)據(jù)庫(kù)分析水平的不斷改進(jìn)、數(shù)據(jù)的精確采集，空氣質(zhì)量的綜合治理方案必將日趨科學(xué)、完備。

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