網(wǎng)格化在線監(jiān)測系統(tǒng)KLR-W01一、 前言國家對于環(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。由于價格昂貴導(dǎo)致鋪設(shè)的站點非常的稀松，基本一級城市最多也就是每個區(qū)一個站點，每個市另外配備5套便攜式設(shè)備。已北京市為例，已經(jīng)算全國監(jiān)測設(shè)備最貴，站點設(shè)置最密集的城市。長期在線監(jiān)測的站房總共是24個，備用站房是12個。采用的檢測方法大多數(shù)都是紅外、紫外、化學(xué)發(fā)光法等，建站費用將近100萬/站點，維護(hù)費用高達(dá)10萬/年，平均每3天就要進(jìn)行一次人工校準(zhǔn)所浪費的人力就無法估算了。即便如此，能覆蓋到的地方也是微乎其微，平均每個站點能監(jiān)測到的也最多不過直徑2公里以內(nèi)的氣體污染情況，如此計算下來24個站點也就最多覆蓋了48公里的監(jiān)測范圍。并且每個站點的參數(shù)都是標(biāo)準(zhǔn)6參數(shù)。按照國家頒布的要求，網(wǎng)格化監(jiān)測部署HJ664—2013標(biāo)準(zhǔn)，的是每500米-4公里設(shè)立一個小型監(jiān)測探頭。北京市總共16410.54平方公里，單按一個站點覆蓋2公里計算那么都需要8205臺儀器。對于工業(yè)城市污染特征氣體、無組織排放氣體（如垃圾填埋場的VOC、惡臭等）監(jiān)測不足。發(fā)布的時效性較差，都是檢測后人工整理數(shù)據(jù)后再發(fā)布。數(shù)據(jù)真實性無法追溯，因為數(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。對于國家環(huán)保執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)無人監(jiān)管，導(dǎo)致數(shù)據(jù)是否超標(biāo)無能力過問。構(gòu)建地理信息系統(tǒng)的空氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測、預(yù)警、預(yù)報平臺。實現(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。促進(jìn)環(huán)境污染大數(shù)據(jù)監(jiān)測。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)測儀作為現(xiàn)有國控點的補充。需要結(jié)合云計算，為管理部門和公眾提供實時的環(huán)境空氣質(zhì)量發(fā)布服務(wù)。需要結(jié)合大數(shù)據(jù)，推演無監(jiān)測點的數(shù)據(jù)及預(yù)測數(shù)據(jù)。需要結(jié)合大數(shù)據(jù)，分析工廠排污特征，實現(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：城市空氣環(huán)境質(zhì)量評測系統(tǒng)、垃圾填埋、垃圾場監(jiān)測、氣象站配套監(jiān)測、家庭空氣質(zhì)量監(jiān)測。2. 工業(yè)及廠界監(jiān)測：工業(yè)園區(qū)廠界監(jiān)測、工業(yè)廠區(qū)常規(guī)排放有毒氣體監(jiān)測、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、點源污染監(jiān)測、機場、港口、在建建筑工地。3. 其他空間監(jiān)測：林業(yè)環(huán)境評價監(jiān)測、農(nóng)業(yè)臭氧殺蟲、消毒監(jiān)測、養(yǎng)殖場飼養(yǎng)環(huán)境監(jiān)測、實驗室分析、坑道、下水道、管道等檢測。三、 檢測依據(jù)1. GB3095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)測分析系統(tǒng)由多臺在線環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測終端、大數(shù)據(jù)云平臺服務(wù)軟件以及用戶終端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)。通過對大氣污染物以及環(huán)境氣象條件的實時監(jiān)測，同時結(jié)合大數(shù)據(jù)與云計算等最新技術(shù)，大氣污染過程的模擬分析，實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)污染物轉(zhuǎn)移預(yù)測，進(jìn)一步實現(xiàn)環(huán)境空氣質(zhì)量的總體形勢預(yù)報。圖：系統(tǒng)應(yīng)用框圖五、 系統(tǒng)主要特點1、功能完善：單臺空氣質(zhì)量監(jiān)測終即可實現(xiàn)對環(huán)境空氣中的常規(guī)有害氣體的監(jiān)測，主要包括SO2、NO2、CO、O3、PM2.5、PM10、氣象五參數(shù)；（氣象五參數(shù)、太陽能板、通訊SIM卡為非標(biāo)配）2、低成本：單臺終端的成本不到環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站的10%；3、高精度：氣體部分檢測精度達(dá)到ppb級，PM2.5檢測精度達(dá)到0.001ug/m-34、供電靈活：太陽能與AC220V市電自由切換；5、實時報告：通過GPRS等網(wǎng)絡(luò)和軟件平臺，實現(xiàn)用戶終端實時將數(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)來源；7、運維簡易：該終端結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，可靠性高，安裝維護(hù)方便；六、 在線空氣質(zhì)量監(jiān)測終端的組成及原理該終端由氣體監(jiān)測部分、氣象條件監(jiān)測部分、粉塵監(jiān)測部分、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)測儀結(jié)構(gòu)組成圖氣體部分可實時在線監(jiān)測空氣中的SO2、NO2、CO、O3濃度，精度達(dá)到ppb級氣象部分可監(jiān)測環(huán)境中的風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、大氣壓力共五個參數(shù)的變化；粉塵部分用于監(jiān)測環(huán)境當(dāng)中的可吸入顆粒物PM2.5（PM10等可擴展）的實時濃度；數(shù)據(jù)通信部分由通信模塊DTU、GSM、及INTERNET網(wǎng)絡(luò)組成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和服務(wù)器之間的實時通訊。電源部分采用了較大功率的太陽能電池板，以及大容量的儲能設(shè)備，可實現(xiàn)不間斷工作。圖：在線環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測終端實物圖七、 各部分檢測參數(shù)與方法：1. 氣體監(jiān)測部分：1. 氣體檢測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)合單片機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，可以連續(xù)監(jiān)測大氣中的SO2、NO2、O3、CO、H2S、NH3、HF氣體，按需要顯示需要的測量數(shù)據(jù)。首先由抽氣泵將環(huán)境空氣通過過濾器，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，通過傳感器時所產(chǎn)生的信號經(jīng)放大、A/D轉(zhuǎn)換后，由微處理器進(jìn)行采集、計算、數(shù)據(jù)處理，產(chǎn)生濃度結(jié)果數(shù)據(jù)，同時保存數(shù)據(jù)結(jié)果或通過RS485串行接口送至信息中心。對于空氣中微量氣體的檢測，不同氣體之間的交叉干擾尤其突出，如處理不好，對測試結(jié)果會產(chǎn)生極大的影響。我們采用了兩項關(guān)鍵技術(shù)解決了此問題：一是采用面對環(huán)境空氣質(zhì)量專用傳感器；二是使用選擇性合適過濾器，由此使本系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。2. 氣體傳感器的工作原理：傳感器通常由三個電極構(gòu)成，其中最主要的是工作電極。它通常是用一種具有催化活性的金屬，例如：鉑，將其噴鍍在一種透氣但是憎水的膜上做成。被測量的氣體擴散透過多孔的膜在其上進(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，通過外電路成為傳感器的輸出信號。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?！ 】刂乒ぷ麟姌O電位和將信號電流轉(zhuǎn)換為電壓信號的電路稱之恒電位電路（或恒電位器）。工作電極的工作信號需經(jīng)運放U2轉(zhuǎn)換為電壓信號。電路同時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經(jīng)過仔細(xì)選擇的穩(wěn)定的輸入電壓Vbias比較后，線路中運放U1在對電極產(chǎn)生一電壓信號，其大小正好是產(chǎn)生一個與工作電極電流相等相反的電流信號。同時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：檢測精度達(dá)ppb級，傳感器體積小、日常維護(hù)簡便2. 粉塵監(jiān)測部分：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，實現(xiàn)了連續(xù)監(jiān)測粉塵濃度，可與濾膜采樣兼容，可以分析所收集到的顆粒物成份，并可求出該場所的質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)換系數(shù)K值。設(shè)計了恒流控制器，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，避免了粉塵對儀器核心部件—光學(xué)系統(tǒng)的污染，確保儀器高可靠性。通過計算機軟件實現(xiàn)儀器零點自動調(diào)節(jié)，提高了儀器測量精度，方便了用戶使用。特點：響應(yīng)時間短，實時性好，能實現(xiàn)每分鐘出一個濃度數(shù)據(jù)3. 控制器：對于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由于現(xiàn)安裝的報警器無RS485通信功能，由于該產(chǎn)品是我公司所生產(chǎn)，根據(jù)現(xiàn)場檢查可以將現(xiàn)有主板做硬件升級，而其它部件不需要增加的情況下，就可以完成系統(tǒng)升級方案的要求。所以只需要更換或更新主板，并升級8個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主板程序即可實現(xiàn)。升級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，使用無線的方式將數(shù)據(jù)通過Internet網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇諝赓|(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)的工控機。3. 氣象監(jiān)測部分（選配）：采用脈沖原理對風(fēng)速、風(fēng)向進(jìn)行測量，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)行測量。體積小但自我保護(hù)做得比較好因此不會受到戶外的惡劣氣候的影響比如高溫、高濕、低溫、大風(fēng)等。核心傳感器都采用的國外進(jìn)口芯片以保證測量的準(zhǔn)確度。特點：測量范圍寬，精度高，穩(wěn)定性好4. 大數(shù)據(jù)云平臺服務(wù)軟件：基于在線空氣質(zhì)量監(jiān)測終端的功能全面、成本低以及其他顯著的優(yōu)點，可以實現(xiàn)在特定區(qū)域內(nèi)的相對密集的布點監(jiān)測。通過大量的布點，組成廣泛的監(jiān)測平面，而非孤立的一個監(jiān)測點，因此能夠有效的對那些距離環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站較遠(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。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、運行控制服務(wù)器、用戶服務(wù)器、備份服務(wù)器等組成的云平臺，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. 管理平臺展示公司將通州測試的4個點站點的測試數(shù)據(jù)，實時在http://124.200.27.123:8080/網(wǎng)站進(jìn)行公布，歡迎用戶隨時登錄查看。登錄網(wǎng)站后，只需輸入驗證碼點登錄即可。首頁數(shù)據(jù)頁主要功能1、實時數(shù)據(jù)在線查看、歷史數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)導(dǎo)出、用戶密碼重置和修改、系統(tǒng)管理、權(quán)限分級管理、導(dǎo)出數(shù)據(jù)防護(hù)等功能。2、該平臺為測試及展示平臺，系統(tǒng)功能會隨客戶需求進(jìn)行修改。目前啟動了01-04四個測試站點，測試數(shù)據(jù)為每5分鐘更新一次，測試數(shù)據(jù)為直接測試結(jié)果無人工進(jìn)行調(diào)整。6. 用戶端主要功能1. 將以衛(wèi)星云圖的形式進(jìn)行展示，可提供PC端查看和手機端等形式查看。同樣可以根據(jù)客戶需求進(jìn)行調(diào)整，展示的方式和內(nèi)容。2. 參考國家AQI標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級顯示，用顏色來區(qū)分。0-50 為一級用綠色圓點表示51-100為二級用黃色圓點表示101-150為三級用橙色原點表示151-200為四級用紅色原點表示201-300為五級用深紅色原點表示301-400為六級用紫色原點表示401-500為七級用黑色圓點表示3. 報警值以及報警形式由客戶需求選定AQI標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)指標(biāo)1. 氣體技術(shù)指標(biāo)：監(jiān)測參數(shù)檢測范圍測量精準(zhǔn)度分辨率二氧化硫SO20-1000ppb±3F.S2ppb氧化氮NO20-1000ppb±3F.S1ppb臭氧O30-1000ppb±3F.S2ppb一氧化碳CO0-50ppm±3F.S0.05ppm其它氣體可以定做客戶定制2. PM2.5、PM10技術(shù)參數(shù)監(jiān)測范圍范圍分辨率0-100mg/m3(可選)0-2000μg/m30.01mg/m30-10mg/m3（可選）0-2000μg/m30.001mg/m3顆粒物切割器：PM10、PM5及PM2.5可選3. 空氣質(zhì)量監(jiān)測儀其它性能指標(biāo)：工作溫度： 5-40oC存儲溫度： -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： 外置太陽能板 外接交流電供電(AC220V50Hz1.0A)4. 溫度測量范圍及精度：測量范圍：-40℃～+50℃；測量精度：±0.1℃。5. 濕度測量范圍及精度：測量范圍：0～100%RH；測量精度：±2%RH。6. 大氣壓強測量范圍及精度：測量范圍：30KPa～110KPa；測量精度：±0.03HPa7. 風(fēng)速測量范圍及精度：測量范圍：1～30m/s；測量精度：±0.1m/s;8. 風(fēng)向測量范圍及精度：測量范圍：0～360°16方位，22.5°/方位；測量精度：±22.5°。