李 勛，張盛華,2，儲勁柏,2，周 珂，顏 瑾，韋方濤

(1.西安市生態(tài)環(huán)境局 高新技術產業(yè)開發(fā)區(qū)分局，陜西 西安 710055; 2.西安高新技術產業(yè)開發(fā)區(qū)環(huán)境監(jiān)測中心，陜西 西安 710055; 3.西安市生態(tài)環(huán)境局 長安分局環(huán)境監(jiān)測站，陜西 西安 710100)

我國經濟的迅速發(fā)展，帶來了嚴重的環(huán)境污染問題。近年來,盡管人們的環(huán)保意識大幅提高，但環(huán)境污染問題仍然非常突出。特別是城市環(huán)境污染問題尤其嚴重，近年來城市空氣質量越來越差，頻繁發(fā)生霧霾天氣，帶來了嚴峻的大氣污染控制形勢[1]。而大氣環(huán)境問題和我們的健康息息相關，已經引起全世界的高度重視。其中機動車數(shù)量的迅猛增長在給我們的生活帶來很大便利的同時，也成為發(fā)生空氣質量問題的重要誘因，是主要的大氣污染物來源之一。機動車引起的空氣污染事件早已屢見不鮮，在各地都有發(fā)生，使我國空氣污染種類從“煤煙型”轉變?yōu)椤敖煌ā簾熁旌闲汀盵2]。對于機動車污染物來說，其擴散與排放均發(fā)生在近地面，會造成道路附近區(qū)域的局地低空污染，并且污染源剛好與人的呼吸帶高度相接近。同時，工業(yè)領域的發(fā)展會消耗大量能源，也會帶來嚴重的空氣污染問題，尤其是石油化工相關工業(yè)的發(fā)展，必然伴隨著排放大量有害氣體[3]。其中，揮發(fā)性有機化合物就是一種主要的空氣污染物，具有很強的化學反應活性，在環(huán)境空氣條件下很容易出現(xiàn)蒸發(fā)現(xiàn)象，在光化學煙霧的形成中扮演著重要角色。其中的很多成分都有毒性，被認為具有致癌、致變、致畸等作用，會導致嚴重的健康問題，包括引發(fā)呼吸系統(tǒng)疾病、癌癥、刺激、過敏等。針對揮發(fā)性有機化合物，必須研發(fā)空氣污染物VOCs排放濃度在線監(jiān)測系統(tǒng)，對各種場合的VOCs進行濃度監(jiān)測，這是治理空氣質量問題的重要基礎與前提。

對于空氣污染物VOCs排放濃度在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究，各國都非常重視，應用了模式識別、混合氣體特征提取、傳感器標定等技術，取得了大量有效研究成果。為解決現(xiàn)有研究成果存在監(jiān)測誤差較大等問題，設計一種新的空氣污染物VOCs排放濃度在線監(jiān)測系統(tǒng)。在處理器模塊中，設計一個嵌入式處理器實施系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)處理。使用半導體式氣體傳感器實施VOCs排放濃度的監(jiān)測，設計監(jiān)測軟件，通過KEIL MDK5軟件對其程序進行編寫，設計一種空氣污染物VOCs的污染擴散分析模型，通過地圖的方式對污染發(fā)展趨勢進行預測，為污染治理提供地理決策參考。通過設計系統(tǒng)能夠實現(xiàn)監(jiān)測點的VOCs污染擴散分析，說明通過設計系統(tǒng)不僅能夠實現(xiàn)VOCs的濃度在線監(jiān)測，還能夠實現(xiàn)污染物走向的推測。

1 VOCs排放濃度在線監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 處理器模塊

在處理器模塊，設計一個嵌入式處理器實施系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)處理。在嵌入式處理器設計中，共設計4個模塊，并通過AMBA 總線連接這些模塊[4]。其中，在CC處理器核模塊中，設計1個微處理器核，用于處理控制型任務，運行操作系統(tǒng)，處理一些系統(tǒng)級的全局任務包括輸入輸出、中斷響應處理等[5]。同時，該微處理器核還負責向DDC分配計算型任務。設計的微處理器核的電路結構如圖1所示。

圖1 微處理器核的電路結構Fig.1 Circuit structure of the microprocessor core

DDC模塊由多個指令集結構和基本結構相同的處理器核構成，并利用通信網絡對處理器核進行互連。選擇的處理器核型號為WAD231[6]。DDC模塊主要用于處理計算型任務，同時模塊具備可裁剪性，用戶能夠根據(jù)自身需求決定處理器核的具體使用數(shù)量。為外圍設備模塊配置多種外圍設備，包括LCD 控制器、I/O設備、JTAG設備、片外存儲器及這些設備的接口。在IPCI模塊設計中，設計一個基于中斷通信協(xié)議的通信接口，并配置一個存儲器，為DDC模塊與CC處理器核模塊提供方便、靈活的通信機制。

1.2 傳感器模塊

在傳感器模塊，使用半導體式氣體傳感器實施VOCs排放濃度的監(jiān)測[7]。首先對監(jiān)測氨氣的傳感器進行設計。將 Ag-RGO作為傳感器的敏感材料對傳感器進行制作，具體制作步驟如下：①將單拋硅片當作襯底，并對其實施超聲處理，獲取表面干凈的硅片；②將光刻膠當作犧牲層，在硅晶片表面通過旋涂工藝制備光刻膠犧牲層，厚度約為3 μm；③混合固化劑與PDMS 主劑，混合比例為1∶10，攪拌后實施抽真空處理，在刻膠犧牲層表面對PDMS 薄膜進行制備，厚度為50 μm； ④對PDMS 薄膜實施氧氣等離子處理，活化其表面；⑤在 PDMS 表面對銀納米線進行噴涂，將其作為電極；⑥在 PDMS 薄膜上對Ag-RGO進行噴涂，將其當作應變敏感層；⑦旋轉涂敷另一層PDMS作為包裝層，避免氣體、濕度等環(huán)境因素的影響；⑧在硅片上剝離應變傳感器，獲取三維導電結構的監(jiān)測傳感器。制作的傳感器的監(jiān)測濃度為1×10-6～1 000×10-6，需要進行12 h的預熱。接著制作用于監(jiān)測苯系蒸氣的傳感器，制備的流程與用于監(jiān)測氨氣的傳感器相同，使用的敏感材料為10-Ag-RGO，監(jiān)測濃度可達1×10-6～100 ×10-6，需要進行6 h的預熱[8]。選用TGS2602氣體傳感器對硫化物進行監(jiān)測，監(jiān)測濃度可達1×10-6～200 ×10-6，需要進行5 min的預熱。并選用WSP2110傳感器對丙酮、甲醛進行監(jiān)測，監(jiān)測濃度可達1×10-6～150×10-6，需要進行30 min的預熱[9]。

1.3 控制模塊

在控制模塊中，設計一種多相數(shù)字控制芯片，用于控制系統(tǒng)中傳感器的工作[10]。設計的控制芯片由4個模塊構成。

(1)CPU與總線模塊。選用CK802型CPU，使用的協(xié)議總線為 AMBA2.0[11]。該總線共由2條總線構成，一條為高級低速總線 APB，另一條為高速高性能總線AHB，2條總線上配置了多種總線設備[12]。控制模塊的構成如圖2所示。

圖2 控制模塊的構成Fig.2 Composition of the control module

(2)時鐘模塊。共設置32個128 MHz 時鐘，時鐘的相位差為250 ps，利用延遲鎖相環(huán)DLL產生時鐘。其中延遲鎖相環(huán)DLL由分頻器、壓控振蕩器、后級偏置電路、電荷泵、鑒相器構成[13]。

(3)過流保護電路模塊。通過過流比較器實現(xiàn)芯片的過流保護。在過流保護電路中設置4種失調電壓，分別為100、80、60、40，根據(jù) CK802的配置參數(shù)可以對失調電壓進行調節(jié)，獲取不同的過流保護點[14]。

(4)信號處理模塊。通過DMUX電路、握手信號電路、FIFO電路實現(xiàn)多bit信號異步處理；通過格雷碼轉換電路實現(xiàn)單bit信號異步處理[15]。

1.4 監(jiān)測軟件模塊

在監(jiān)測軟件模塊中，通過KEIL MDK5 軟件對其程序進行編寫[16]。監(jiān)測軟件的運行流程具體如圖3所示。在監(jiān)測軟件中，用戶可以隨時獲得被測區(qū)域的空氣污染物VOCs排放濃度數(shù)據(jù)。當被測區(qū)域VOCs排放濃度過高時，軟件會自動啟動報警程序[17]。

圖3 監(jiān)測軟件的運行流程Fig.3 Running process of the monitoring software

1.5 污染擴散分析模塊設計

在污染擴散分析模塊，設計空氣污染物VOCs的污染擴散分析模型，通過地圖的方式對污染發(fā)展趨勢進行預測，為污染治理提供地理決策參考。設計的空氣污染物VOCs污染擴散分析模型由輸入單元、后置分析單元、展示單元構成。在輸入單元中，需要輸入VOCs的源強、風向、風速等參數(shù)，接著通過后置分析單元對空氣中的污染物擴散情況進行計算[18]，再通過展示單元以圖形方式將計算結果表達出來。利用空氣污染物VOCs污染擴散分析模型進行分析的操作流程如下。

(1)準備模型分析參數(shù)。模型最終是在電子地圖上通過濃度等值線形式對VOCs擴散后的污染物濃度分布情況進行表示，將濃度等值線設計為閉合曲線，其中離排放點最遠的濃度曲線是臨界值[19]。具體參數(shù)準備包括循環(huán)計算步長、風向參數(shù)轉換、臨界濃度值等。

(2)濃度等值點集計算。各濃度圈由上下兩個半圈構成，相對下風向來說，這2個半圈是對稱的。計算濃度等值點集就是在兩組對象中增加等值點對象[20]。因此，對2部分的等值點點集數(shù)組進行定義后，對各點坐標進行計算。

(3)在污染模型圖層中加入濃度等值面，獲取模型分析結果的對應疊加圖層。

(4)對地圖服務進行刷新。

(5)生成模型分析成功的對應頁面，并提交給客戶端，獲取實際分析結果。

2 系統(tǒng)測試

2.1 實驗地點

在某工廠對設計的空氣污染物VOCs排放濃度在線監(jiān)測系統(tǒng)的功能進行測試。在某熱電股份有限公司的某工廠中開展測試，該工廠共有5臺煤粉鍋爐。該工廠的VOCs污染一直比較嚴重，VOCs排放濃度偏高，因此選擇該工廠進行實驗，希望能夠實現(xiàn)該工廠VOCs排放濃度的準確在線監(jiān)測。實驗環(huán)境如圖4所示。

圖4 實驗環(huán)境Fig.4 Experimental environment

在該工廠中設置10個監(jiān)測點，具體見表1。

表1 該工廠中設置的監(jiān)測點Tab.1 Monitoring points set up in the factory

在以上監(jiān)測點處對VOCs排放濃度進行在線監(jiān)測，測試設計系統(tǒng)性能。

2.2 濃度監(jiān)測測試

利用設計系統(tǒng)分別對氨氣、苯系蒸氣、硫化物、丙酮、甲醛進行監(jiān)測，監(jiān)測結果與實際測試值的對比如圖5所示。根據(jù)圖5監(jiān)測結果與實際測試值的對比數(shù)據(jù)，設計系統(tǒng)對氨氣、苯系蒸氣、硫化物、丙酮、甲醛進行監(jiān)測后，氨氣、苯系蒸氣、丙酮、甲醛監(jiān)測結果與實際測試值基本一致，僅有硫化物監(jiān)測結果與實際測試值不一致，實際濃度測試值為150，系統(tǒng)濃度測試值為130，總體而言，設計系統(tǒng)能夠獲取較為精準的監(jiān)測結果，證明了設計系統(tǒng)的監(jiān)測性能。

圖5 監(jiān)測結果與實際測試值的對比Fig.5 Comparison of monitoring results and actual test values

2.3 污染擴散分析性能測試

對設計系統(tǒng)的VOCs污染擴散分析性能進行測試。選擇2個VOCs污染最嚴重的監(jiān)測點，監(jiān)測點7、8，對其未來2 d的VOCs污染擴散情況進行分析，具體分析結果如圖6所示。圖6的VOCs污染擴散情況分析結果表明，通過設計系統(tǒng)能夠實現(xiàn)監(jiān)測點的VOCs污染擴散分析，說明通過設計系統(tǒng)不僅能夠實現(xiàn)VOCs的濃度在線監(jiān)測，還能夠實現(xiàn)污染物走向的推測。

圖6 VOCs污染擴散情況分析結果Fig.6 Analysis results of VOCs pollution diffusion

3 結語

在對VOCs濃度監(jiān)測的研究中，設計了一種空氣污染物VOCs排放濃度在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過設計處理器模塊、傳感器模塊、控制模塊、檢測軟件模塊、污染擴散分析模塊，實現(xiàn)了VOCs排放濃度的準確監(jiān)測與走向預測。結果表明，設計系統(tǒng)對氨氣、苯系蒸氣、硫化物、丙酮、甲醛進行監(jiān)測后，能夠獲取較為精準的監(jiān)測結果。通過設計系統(tǒng)能夠實現(xiàn)監(jiān)測點的VOCs污染擴散分析，說明設計系統(tǒng)不僅能夠實現(xiàn)VOCs的濃度在線監(jiān)測，還能夠實現(xiàn)污染物走向的推測。對于VOCs空氣污染的治理有很大意義。在研究中盡管取得了一定成果，但系統(tǒng)仍處于有待完善的狀態(tài)，將會進一步對其進行完善。