一种基于泵吸式进气控制的大气质量监测系统及方法与流程

本发明涉及节能环保技术领域，更具体地说，本发明涉及一种基于泵吸式进气控制的大气质量监测系统及方法。

背景技术：

随着社会的发展，人们对良好环境质量的要求越来越高。环境质量，尤其是大气环境质量越来越受到人们的重视；而对大气质量的有效、精准监测作为改善大气环境质量的前提，也显得越发重要。

通常，对室外大气质量的评估，主要通过监测大气中常见的污染气体或颗粒物含量来综合评判。其中，需要监测的污染气体主要包含：no2，so2，co，o3，气体有机物等，需要监测的颗粒物参数主要包括：pm2.5，pm10等。通过对以上参数的精准监测，辅以有效的算法分析，得出大气质量的指标。

专利申请公布号108593512a的专利公开了一种大气质量监测系统及方法提供了一种通过共享单车搭载大气质量监测装置的方式，实现了对城区空气质量的全面、大范围监测；通过共享单车的骑行可以实现不同地点近地面空气质量信息的采集，从而达到在城区灵活、高效监测空气质量目的。该专利只提供了一种灵活的大气质量监测方式，然而并未对如何提高监测原始数据的准确性和抗干扰性，增加传感器寿命，降低监测成本提供有效方法。

但是上述技术方案在实际运用时，然而，对大气中污染气体及颗粒物的测量依赖于各种类型的传感器，这些传感器一般对测量环境十分敏感，如温度、相对湿度、气体流速等，如果控制不好，将严重影响测量数据的准确性和有效性；另外，传感器的寿命也是有限的，尤其是室外环境，环境恶劣，如果不采取有效措施，将严重影响传感器寿命，同时也大大增加监测成本。

技术实现要素：

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种基于泵吸式进气控制的大气质量监测系统及方法，通过整体设计，采用多级分布式控制方法：每个模块独立进行模块内部的反馈控制，并对外开放控制接口；整体系统根据测量需求和各模块的控制接口，对各个模块进行不同的调节与控制，确保了设备运行的稳定和安全，防止平台模块或者mcu控制和通信模块的误操作引起底层模块的损坏，降低系统运维成本。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于泵吸式进气控制的大气质量监测系统，包括平台模块，所述平台模块的连接端连接有mcu控制和通信模块，所述mcu控制和通信模块的连接端连接有电磁阀开关模块，所述电磁阀开关模块的输出端分别连接有颗粒物过滤模块a以及相对湿度控制模块，所述颗粒物过滤模块a的输出端连接有温度控制模块，所述温度控制模块包含有气体传感器模块，所述相对湿度控制模块的输出端连接有颗粒物传感器模块，所述颗粒物传感器模块的输出端连接有颗粒物过滤模块b，所述颗粒物过滤模块b和温度控制模块的输出端均连接于气体流速监测模块，所述气体流速监测模块的输出端连接有气泵模块；

所述平台模块用于通过蜂窝无线通信、以太网、wifi等多种网络或通信方式与监测装置进行数据交互，并对数据进行存储、分析、展示的综合性平台；

所述mcu控制和通信模块用于和平台模块、电磁阀开关模块、颗粒物过滤模块a、相对湿度控制模块、温度控制模块、气体传感器模块、颗粒物传感器模块、颗粒物过滤模块b、气体流速监测模块及气泵模块相连接，接收平台模块下发的指令，对上述其他模块进行调节、测量控制和初步数据计算分析，并将测量数据反馈给平台模块；

所述电磁阀开关模块用于和相对湿度控制模块、颗粒物过滤模块a及mcu控制和通信模块相连接，所述mcu控制和通信模块可控制二位三通或三位三通的电磁阀开关模块，对进气孔进入的气体流向进行两个方向的切换，分别为气路ⅰ和气路ⅱ；所述气路ⅰ是由电磁阀开关模块到相对湿度控制模块、颗粒物传感器模块、颗粒物过滤模块b；所述气路ⅱ是由电磁阀开关模块到颗粒物过滤模块a、温度控制模块、气体传感器模块；所述电磁阀开关模块可由mcu控制和通信模块控制气体流向的切换；

所述颗粒物过滤模块a用于对待检测气体中的颗粒物进行过滤，所述颗粒物过滤模块a连接电磁阀开关模块及温度控制模块，所述颗粒物过滤模块a具体为惰性材料制成的过滤装置；

所述相对湿度控制模块用于对流经该模块的气体的相对湿度进行主动控制，其中相对湿度控制模块被配置为与电磁阀开关模块、mcu控制和通信模块、颗粒物传感器模块相连接；

所述温度控制模块用于根据实际需求灵活调节其内部设备的环境温度，所述温度控制模块，被配置为连接mcu控制和通信模块、颗粒物过滤模块a及气体传感器模块；

所述气体传感器模块用于测量多种气体含量，通常包括no2、so2、co、o3及气体有机物；

所述颗粒物传感器模块用于实现对气体中颗粒物含量进行测量，测量参数通常包括：pm2.5、pm10等，所述颗粒物传感器模块被配置为连接mcu控制和通信模块、相对湿度控制模块、颗粒物过滤模块b，所述颗粒物传感器模块可由mcu控制和通信模块进行控制测量，并进行数据通信，所述颗粒物传感器模块具体为颗粒物传感器；

所述颗粒物过滤模块b用于滤除流经该模块气体中的颗粒物，所述颗粒物过滤模块b被配置为连接颗粒物传感器模块及气体流速监测模块；

所述气体流速监测模块用于检测流经该模块气体的流速；

所述气泵模块用于将该系统内部的气体向外抽出，由mcu控制和通信模块进行转速调节控制，进而调节整个系统气路中的气体流速，所述气泵模块具体为无刷电机制成的气泵。

在一个优选地实施方式中，所述mcu控制和通信模块、电磁阀开关模块、颗粒物过滤模块a、相对湿度控制模块、温度控制模块、气体传感器模块、颗粒物传感器模块、颗粒物过滤模块b、气体流速监测模块及气泵模块均集成在一个机箱内，组装成现场大气质量监测装置，所述机箱内留有进气孔和出气孔，分别与电磁阀开关模块和气泵模块相连接。

在一个优选地实施方式中，所述电磁阀开关模块与颗粒物过滤模块a通过气路ⅰ相连接，所述电磁阀开关模块与相对湿度控制模块通过气路ⅱ相连接，其中对不同环境参数(如温度、湿度、气压及光照)敏感的传感器，分别搭建独立的气路，在每个气路上营造传感器最适宜的工作环境，每条气路相互独立，确保传感器测量不受机箱外部环境的影响。

在一个优选地实施方式中，所述相对湿度控制模块可由mcu控制和通信模块进行调节和控制，控制方式通常被配置为负反馈控制，以实现对相对湿度的精准控制，所述对湿度控制模块采用对气体加热的方式，调节相对湿度。

在一个优选地实施方式中，所述气体流速监测模块具体配置为气体压差传感器，所述气体压差传感器用于对气路中两点之间管壁的气压进行监测，通过压差计算出当前的气体流速，而不采用机械或者电子式的气体流量计直接串联进气路进行流量监测。

一种基于泵吸式进气控制的大气质量监测方法，具体有以下步骤：

步骤一：系统自检及初始化：系统上电后，mcu控制和通信模块首先进行系统自检，检查监测装置的各个模块是否正常，装置是否能正常连接到平台模块，并对各个模块进行初始化参数设置，然后平台模块将下发最新的系统控制参数；

步骤二：气路ⅰ的切换及气流控制：mcu控制和通信模块控制电磁阀开关模块将气流切换到气路ⅰ的流向，控制气泵模块和气体流速监测模块，将气路ⅰ的气体流速调节至平台预设值；

步骤三：颗粒物传感器模块测量准备：mcu控制和通信模块控制相对湿度控制模块将待测气体的相对湿度调节至平台预设值，并等待气流和相对湿度稳定；

步骤四：颗粒物浓度测量：mcu控制和通信模块控制颗粒物传感器模块对待测气体进行颗粒物含量的测量，并将测量结果进行分析、上传到平台模块；

步骤五：气路ⅱ的切换及气流控制：mcu控制和通信模块控制电磁阀开关模块、气泵模块和气体流速监测模块，将气流切换到气路ⅱ的流向，并将气路ⅱ的气体流速调节至平台预设值；

步骤六：气体传感器模块测量准备：mcu控制和通信模块控制温度控制模块，将气体传感器模块中的气体传感器调节到适宜的测量的温度，并等待气流和温度稳定；

步骤七：气体浓度测量：mcu控制和通信模块控制气体传感器模块，对待测气体中的污染气体含量进行测量，并将结果进行分析、上传到平台模块；

步骤八：平台数据分析和展示：平台模块根据监测装置上传的大气质量相关的污染气体、颗粒物等数据，经过特定算法分析，得出监测装置所在区域的大气质量指数和对未来大气质量的预测，并展示给用户或其他系统。

在一个优选地实施方式中，所述步骤一中，系统控制参数是指针对系统所选用的气体传感器和颗粒物传感器的特性及测试的经验值，确定下来的控制监测装置达到最佳测量环境的控制参数，包括气体流速调节相关的参数，测量温度控制相关的参数，相对湿度控制相关的参数，气流稳定的等待时间，不同传感器进行有效测量的等待时间等，这些参数根据所选择的传感器、气泵等型号的不同会有所差异。

在一个优选地实施方式中，所述步骤二、三、五中，平台预设值是指系统对不同的气体流速、不同的相对湿度、不同的测量温度，经过大量测试和验证后得出的最适宜测量的参数值，并根据不同传感器的测量精度随时间的漂移曲线不断修正上述参数，然后下发给mcu控制和通信模块用以系统控制。

在一个优选地实施方式中，所述步骤八中，特定算法主要包括：数字滤波算法，对采集的数据进行奇点滤除和平滑处理，凸显监测点周围大气质量的整体表现；分布式遗传算法、深度神经网络算法等，用以对多个不同监测区域的测量结果和长时间监测的数据进行整体分析，对监测区域的大气质量进行深度预测，用于辅助进行污染治理决策。

本发明的技术效果和优点：

1、本发明通过整体设计，采用多级分布式控制方法：每个模块独立进行模块内部的反馈控制，并对外开放控制接口；整体系统根据测量需求和各模块的控制接口，对各个模块进行不同的调节与控制，确保了设备运行的稳定和安全，防止平台模块或者mcu控制和通信模块的误操作引起底层模块的损坏，降低系统运维成本；

2、本发明通过整体设计，可实现对环境恶劣地区的大气质量进行精准监测：如高温或低温条件下，可通过温度控制模块对装置内温度敏感类型的传感器的工作环境温度，调节为最适合传感器工作的温度；高湿度环境下可通过相对湿度控制模块对待测气体的湿度进行调节；大风环境中，可通过气泵模块和气体流速监测模块的反馈调节控制确保测量气路中气流的稳定；

3、本发明通过整体设计，可提高监测装置的稳定性及使用寿命，从而降低监测成本：通过主动的泵吸式进气控制，对进入设备的待测气体进行的颗粒物滤除、相对湿度控制，以及对传感器的工作温度控制等措施，不但确保了测量数据的准确性和稳定性，同时保护了监测装置内部的各个模块不受外部恶劣环境的影响，提高感器寿命，降低监测成本；

4、本发明通过采用了双气路切换的测量方式，将颗粒物的测量与气体测量分开，避免了二者在测量过程中相互干扰的问题；另外颗粒物的测量最主要的影响因素是相对湿度，气体测量最主要的影响因素是温度，采用双气路的方式，也确保了两种传感器都能在各自最适宜的测量环境下进行测量，最大程度的确保了测量数据的准确性，其中测量方式不限于双气路，本方法也适用于多气路切换，适用于更多类型的传感器及更多的气路切换，提高了其适用范围；

5、本发明通过采用数字滤波算法、分布式遗传算法、深度神经网络算法等，对多区域的监测装置，长时间运行数据的分析，不但能展示给用户当前大气质量的情况，而且对未来不同区域的大气质量变化趋势进行了预测，用以指导用于进行治理污染的决策。

附图说明

图1为本发明的整体拓扑图。

图2为本发明的整体模块示意图。

图3为本发明中气路ⅰ和气路ⅱ的示意图。

图4为本发明中温度控制模块和气体传感器模块的模块示意图。

附图标记为：1平台模块、2mcu控制和通信模块、3电磁阀开关模块、4颗粒物过滤模块a、5相对湿度控制模块、6温度控制模块、7气体传感器模块、8颗粒物传感器模块、9颗粒物过滤模块b、10气体流速监测模块、11气泵模块、12气路ⅰ、13气路ⅱ。

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。

根据图1-4所示的一种基于泵吸式进气控制的大气质量监测系统，包括平台模块1及mcu控制和通信模块2，所述平台模块1的连接端连接有mcu控制和通信模块2，所述mcu控制和通信模块2的连接端连接有电磁阀开关模块3，所述电磁阀开关模块3的输出端分别连接有颗粒物过滤模块a4以及相对湿度控制模块5，所述颗粒物过滤模块a4的输出端连接有温度控制模块6，所述温度控制模块6包含有气体传感器模块7，所述相对湿度控制模块5的输出端连接有颗粒物传感器模块8，所述颗粒物传感器模块8的输出端连接有颗粒物过滤模块b9，所述颗粒物过滤模块b9和温度控制模块6的输出端均连接于气体流速监测模块10，所述气体流速监测模块10的输出端连接有气泵模块11；

所述平台模块1用于通过蜂窝无线通信、以太网、wifi等多种网络或通信方式与监测装置进行数据交互，并对数据进行存储、分析、展示的综合性平台；

所述mcu控制和通信模块2用于和平台模块1、电磁阀开关模块3、颗粒物过滤模块a4、相对湿度控制模块5、温度控制模块6、气体传感器模块7、颗粒物传感器模块8、颗粒物过滤模块b9、气体流速监测模块10及气泵模块11相连接，接收平台模块1下发的指令，对上述其他模块进行调节、测量控制和初步数据计算分析，并将测量数据反馈给平台模块1，其中所述mcu控制和通信模块2采用arm内核单片机及其外围电路，易于开发且性能稳定，参考单片机型号stm32f103；

所述电磁阀开关模块3用于和相对湿度控制模块5、颗粒物过滤模块a4及mcu控制和通信模块2相连接，所述mcu控制和通信模块2可控制二位三通或三位三通的电磁阀开关模块3，对进气孔进入的气体流向进行两个方向的切换，分别为气路ⅰ12和气路ⅱ13；所述气路ⅰ12是由电磁阀开关模块3到相对湿度控制模块5、颗粒物传感器模块8、颗粒物过滤模块b9；所述气路ⅱ13是由电磁阀开关模块3到颗粒物过滤模块a4、温度控制模块6、气体传感器模块7；所述电磁阀开关模块3可由mcu控制和通信模块2控制气体流向的切换，所述电磁阀开关模块3采用微型电磁阀，参考型号为3v2-06-nc-dc24v-i；

所述颗粒物过滤模块a4用于对待检测气体中的颗粒物进行过滤，所述颗粒物过滤模块a4连接电磁阀开关模块3及温度控制模块6，所述颗粒物过滤模块a4具体为惰性材料制成的过滤装置；

所述相对湿度控制模块5用于对流经该模块的气体的相对湿度进行主动控制，其中相对湿度控制模块5被配置为与电磁阀开关模块3、mcu控制和通信模块2、颗粒物传感器模块8相连接；

所述温度控制模块6用于根据实际需求灵活调节其内部设备的环境温度，所述温度控制模块6，被配置为连接mcu控制和通信模块2、颗粒物过滤模块a4及气体传感器模块7；

所述气体传感器模块7用于测量多种气体含量，通常包括no2、so2、co、o3及气体有机物；

所述颗粒物传感器模块8用于实现对气体中颗粒物含量进行测量，测量参数通常包括：pm2.5、pm10等，所述颗粒物传感器模块8被配置为连接mcu控制和通信模块2、相对湿度控制模块5、颗粒物过滤模块b9，所述颗粒物传感器模块8可由mcu控制和通信模块2进行控制测量，并进行数据通信，所述颗粒物传感器模块8具体为颗粒物传感器；

所述颗粒物过滤模块b9用于滤除流经该模块气体中的颗粒物，所述颗粒物过滤模块b9被配置为连接颗粒物传感器模块8及气体流速监测模块10；

所述气体流速监测模块10用于检测流经该模块气体的流速；

所述气泵模块11用于将该系统内部的气体向外抽出，由mcu控制和通信模块2进行转速调节控制，进而调节整个系统气路中的气体流速，所述气泵模块11具体为无刷电机制成的气泵；

所述mcu控制和通信模块2、电磁阀开关模块3、颗粒物过滤模块a4、相对湿度控制模块5、温度控制模块6、气体传感器模块7、颗粒物传感器模块8、颗粒物过滤模块b9、气体流速监测模块10及气泵模块11均集成在一个机箱内，组装成现场大气质量监测装置，所述机箱内留有进气孔和出气孔，分别与电磁阀开关模块3和气泵模块11相连接；

所述电磁阀开关模块3与颗粒物过滤模块a4通过气路ⅰ12相连接，所述电磁阀开关模块3与相对湿度控制模块5通过气路ⅱ13相连接，其中对不同环境参数(如温度、湿度、气压及光照)敏感的传感器，分别搭建独立的气路，在每个气路上营造传感器最适宜的工作环境，每条气路相互独立，确保传感器测量不受机箱外部环境的影响，以此构成双气路及多气路的拓扑结构，使得本方法也适用于多气路切换，适用于更多类型的传感器及更多的气路切换，提高了其适用范围；

所述相对湿度控制模块5可由mcu控制和通信模块2进行调节和控制，控制方式通常被配置为负反馈控制，以实现对相对湿度的精准控制，所述对湿度控制模块5采用对气体加热的方式，调节相对湿度；

所述气体流速监测模块10具体配置为气体压差传感器，所述气体压差传感器用于对气路中两点之间管壁的气压进行监测，通过压差计算出当前的气体流速，而不采用机械或者电子式的气体流量计直接串联进气路进行流量监测；

一种基于泵吸式进气控制的大气质量监测方法，具体有以下步骤：

步骤一：系统自检及初始化：系统上电后，mcu控制和通信模块2首先进行系统自检，检查监测装置的各个模块是否正常，装置是否能正常连接到平台模块，并对各个模块进行初始化参数设置，然后平台模块将下发最新的系统控制参数；

步骤二：气路ⅰ12的切换及气流控制：mcu控制和通信模块2控制电磁阀开关模块3将气流切换到气路ⅰ12的流向，控制气泵模块11和气体流速监测模块10，将气路ⅰ12的气体流速调节至平台预设值；

步骤三：颗粒物传感器模块8测量准备：mcu控制和通信模块2控制相对湿度控制模块5将待测气体的相对湿度调节至平台预设值，并等待气流和相对湿度稳定；

步骤四：颗粒物浓度测量：mcu控制和通信模块2控制颗粒物传感器模块8对待测气体进行颗粒物含量的测量，并将测量结果进行分析、上传到平台模块1；

步骤五：气路ⅱ13的切换及气流控制：mcu控制和通信模块2控制电磁阀开关模块3、气泵模块11和气体流速监测模块10，将气流切换到气路ⅱ13的流向，并将气路ⅱ13的气体流速调节至平台预设值；

步骤六：气体传感器模块7测量准备：mcu控制和通信模块2控制温度控制模块6，将气体传感器模块7中的气体传感器调节到适宜的测量的温度，并等待气流和温度稳定；

步骤七：气体浓度测量：mcu控制和通信模块2控制气体传感器模块7，对待测气体中的污染气体含量进行测量，并将结果进行分析、上传到平台模块1；

步骤八：平台数据分析和展示：平台模块1根据监测装置上传的大气质量相关的污染气体、颗粒物等数据，经过特定算法分析，得出监测装置所在区域的大气质量指数aqi和对未来大气质量的预测，并展示给用户或其他系统；

所述步骤一中，系统控制参数是指针对系统所选用的气体传感器和颗粒物传感器的特性及测试的经验值，确定下来的控制监测装置达到最佳测量环境的控制参数，包括气体流速调节相关的参数，测量温度控制相关的参数，相对湿度控制相关的参数，气流稳定的等待时间，不同传感器进行有效测量的等待时间等，这些参数根据所选择的传感器、气泵等型号的不同会有所差异；

所述步骤二、三、五中，平台预设值是指系统对不同的气体流速、不同的相对湿度、不同的测量温度，经过大量测试和验证后得出的最适宜测量的参数值，并根据不同传感器的测量精度随时间的漂移曲线不断修正上述参数，然后下发给mcu控制和通信模块2用以系统控制；

所述步骤八中，特定算法主要包括：数字滤波算法，对采集的数据进行奇点滤除和平滑处理，凸显监测点周围大气质量的整体表现；分布式遗传算法、深度神经网络算法等，用以对多个不同监测区域的测量结果和长时间监测的数据进行整体分析，对监测区域的大气质量进行深度预测，用于辅助进行污染治理决策。

实施方式具体为：将mcu控制和通信模块2、电磁阀开关模块3、颗粒物过滤模块a4、相对湿度控制模块5、温度控制模块6、气体传感器模块7、颗粒物传感器模块8、颗粒物过滤模块b9、气体流速监测模块10及气泵模块11均集成在一个机箱内，组装成现场大气质量监测装置，所述机箱内留有进气孔和出气孔，分别与电磁阀开关模块3和气泵模块11相连接，其中mcu控制和通信模块2首先进行系统自检，检查监测装置的各个模块是否正常，装置是否能正常连接到平台模块，并对各个模块进行初始化参数设置，然后平台模块将下发最新的系统控制参数；

然后，mcu控制和通信模块2控制电磁阀开关模块3将气流切换到气路ⅰ12的流向，控制气泵模块11和气体流速监测模块10，将气路ⅰ12的气体流速调节至平台预设值；

随后，mcu控制和通信模块2控制相对湿度控制模块5将待测气体的相对湿度调节至平台预设值，并等待气流和相对湿度稳定，其中的mcu控制和通信模块2控制颗粒物传感器模块8对待测气体进行颗粒物含量的测量，并将测量结果进行分析、上传到平台模块1；

mcu控制和通信模块2控制电磁阀开关模块3、气泵模块11和气体流速监测模块10，将气流切换到气路ⅱ13的流向，并将气路ⅱ13的气体流速调节至平台预设值；

mcu控制和通信模块2控制温度控制模块6，将气体传感器模块7中的气体传感器调节到适宜的测量的温度，并等待气流和温度稳定；

mcu控制和通信模块2控制气体传感器模块7，对待测气体中的污染气体含量进行测量，并将结果进行分析、上传到平台模块1；

最后，平台模块1根据监测装置上传的大气质量相关的污染气体、颗粒物等数据，经过特定算法分析，得出监测装置所在区域的大气质量指数aqi和对未来大气质量的预测，并展示给用户或其他系统。

本发明工作原理：

参照说明书附图1-4，通过整体设计，其中，所述多级分布式控制方法，是指系统中每个模块独立进行模块内部的反馈控制，并对外开放控制接口；整体系统根据测量需求和各模块的控制接口，对各个模块进行不同的调节与控制，确保了设备运行的稳定和安全，防止平台模块1或者mcu控制和通信模块2的误操作引起底层模块的损坏，例如，温度控制模块6内部有完整的反馈控制回路，并对外开放温度设定接口和错误上报接口；温度控制模块6内部会对超过其调节范围(如从t0-t1可调)的温度进行有限调节并报错，如mcu控制和通信模块2设置目标温度为t，当t>t1或t<t0时，温度控制模块2将温度调节为最接近目标温度t的值，并将错误上报给mcu控制和通信模块2。

最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。