一种分布式空气质量监测装置及其监测方法与流程

本发明涉及一种分布式空气质量监测装置及其监测方法，应用于城市空气监测网络、区域环境监测行业。

背景技术：

空气站的功能是对存在于大气、空气中的污染物质进行定点、连续或者定时的采样、测量和分析。为了对空气进行监测，一般在一个环保重点城市设立若干个空气站，站内安装多参数自动监测仪器作连续自动监测，将监测结果实时存储并加以分析后得到相关的数据。空气质量监测站是空气质量控制和对空气质量进行合理评估的基础平台，是一个城市空气环境保护的基础设施。

目前在按照标准规范要求，对于国家标准空气监测站的性能指标、连续性均有一定的要求，因而系统的复杂度大，硬件成本、实施成本均较大等，难以实现全面覆盖和快速实施。因此该类型的监测系统多应用国家、省级的监测站点。

随着我国经济的快速发展，环境污染问题日易突出，虽然国家每年投入上千亿元的资金进行治理环境，然而效果并不明显。为了追溯污染源的分布区域，各区域、地方的管理机构也需要一个区域环境监测且高性价比的实现方案，在国标监测站“点”状的布设基础上，增加分布式、区域化的监测系统。

传统国标监测站等“专业级”的监测系统因价格太过昂贵（单套仪器设备及建设成本超过100万以上），不利于批量推广、网格化布设。因此，目前市场对低成本、安装维护简单、适合批量化、网格化的监测产品需求逐渐增加。

综上所述，对于区域的管理单位而言，对于各自管辖区域的大气环境、水环境等情况的掌握、以及了解污染源形成“途径”等都是作为管理者应当掌握的关键的内容之一，各管理单位也急需一种更易实现且有效的监测系统来实现。因此近年来，市场上提出一种网格化大气监测系统，其是通过建设区域化监测传感网，实现各区大气污染物来源、动态变化的数字化管理。“准专业级”的监测系统可根据传感终端监测的多项污染物数据进行浓度变化分析，形成时、日、周、月的污染追踪、跨界输送分析报告，实现区域、城区内大气污染物浓度时空动态变化的趋势分析，为环境执法和决策提供直接依据。

通过网格化监测系统可以将采集到的数据和现有的标准站监测站点进行叠加、对比分析和校准，二者结合，生成时空动态趋势图从而获取全区高密度高频度的大气颗粒物浓度监测数据，运用基于后台数据分析统，进行监测数据的筛查、校准、统计分析和动态图绘制，实现全区大气颗粒物浓度的时空动态变化趋势分析，进而判断污染来源，追溯污染物扩散趋势，对污染源起到最大程度的监管作用，为环境执法和决策提供数据、分析依据。

综上所述，本需求产品相比于国控站点，是一种低成本、小体积、便于安装布设的监测系统，测量性能满足大气监测级别，可通过布设数量、数据分析等，对大气污染路径、形成路线进行评判，对污染源进行追溯。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题就在于以下三点：（1）实现无线实时数据传输；（2）可完成对常规空气质量参数的测量、温湿度等参数的测量，并能实现超值预警功能；（3）具有监测仪使用定位信息、自动读取、低功耗电池供电功能。

本发明设计内部主要由空气质量电化学模块、mcu、温湿度传感器、pm空气测量模块、gps定位模块、无线传输模块、锂电池、实时时钟、flash等功能模块组成，基本原理是：系统由锂电池供电、太阳能电池板充电的方式实现系统的供电，设备根据实时时钟的定时功能唤醒工作，工作时将各种空气质量模块的测量数据进行采集，并将数据通过无线模块进行传输并数据备份，系统不依赖外部的供电、传输系统，因此可实现分布式安装，是一种新型空气质量监测系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的以下技术方案：

一种分布式空气质量监测装置，它包括有微型控制器、pm2.5测量模块、pm10测量模块、so2测量模块、no2测量模块、co测量模块、o3测量模块、vocs测量模块、温湿度测量模块；

所述pm2.5测量模块、pm10测量模块、so2测量模块、no2测量模块、co测量模块、o3测量模块、vocs测量模块和温湿度测量模块与微型控制器连接；

其中so2测量模块、no2测量模块、co测量模块采用电化学气体测量模块，pm2.5测量模块、pm10测量模块采用激光衍射原理的粉尘测量模块；

pm2.5测量模块用于实现pm2.5粉尘测量的模块；

pm10测量模块用于实现pm10粉尘测量的模块；

so2测量模块用于测量大气中二氧化硫浓度的模块；

no2测量模块用于测量大气中二氧化氮浓度的模块；

co测量模块用于测量大气中一氧化碳浓度的模块；

o3测量模块用于测量大气中臭氧浓度的模块；

vocs测量模块用于测量大气中挥发性有机物的模块；

温湿度测量模块用于测量大气温度和空气温湿度的模块；

以上8类测量模块其均为ttl电平的数字接口，其内置有信号采集转换电路，外部处理器按照其通信协议进行数据读取，即可实现各测量参数的数据，各模块中txd、rxd接口与微型控制器相连。

进一步的，本监测装置设计有gps模块，用于监测仪的定位，在采集时自动读取gps信息，无需人工手动输入位置信息了；

nb-iot传输模块和gprs传输模块，实现监测仪与远程平台的数据交互功能。

进一步的，本监测装置设计有锂电池和实现便携式的供太阳能电池板，锂电池与实现便携式的供太阳能电池板连接。

进一步的，本监测装置设计有实时时钟模块和数据存储模块。

一种分布式空气质量监测装置的监测方法，其特征在于该方法的步骤为：

1）、pm2.5测量模块、pm10测量模块、so2测量模块、no2测量模块、co测量模块、o3测量模块、vocs测量模块、温湿度测量模块的txd、rxd管脚接到微型控制器的gpio端口中。

2）、gps模块、nb-iot传输模块、gprs模块分别接入dc5v电源，而数据接口分别接到微型控制器的uart1、uart2、uart3端口；

3）、实时时钟rtc、数据存储flash分别接到微型控制器的iic接口和spi接口；

4）、以上电路模块共设计于一块底板pcb中，而锂电池内部自带充放电管理电路功能，锂电池通过连接端子与底板pcb进行相连，5v太阳电池板则与锂电池的充电端口相连，实现充电的功能。

5）、硬件在上电后，会进行初始化操作，操作主要内容是初始化端口信息、并获取配置存储器中的定时工作间隔信息，作为后续工作的频度信息；

6）、初始化结束后，进行数据的采集，即将将pm2.5测量模块、pm10测量模块、so2测量模块、no2测量模块、co测量模块、o3测量模块、vocs测量模块、温湿度测量模块的数据轮询采集一遍，分别按照其模块的通信协议，获取数据信息；

7）、获取到数据信息后，并读取存储器中的备份数据，一同打包通过gprs进行上传，若上传成功，则平台会下发确认信息，确认平台接受后，设备则将各模块配置为低功耗模式，降低功耗，并进行休眠，直到rtc产生下一次的中断信号，若平台未发送接收确认信息，则视为未正常上传数据，则需要将采集到的数据进行本地备份，直到下次采集后，进行数据上传，防止数据丢失；

8）、系统工作由rtc产生的闹铃中断进行工作与低功耗的状态切换。

基本原理是：系统由锂电池供电、太阳能电池板充电的方式实现系统的供电，设备根据实时时钟的定时功能唤醒工作，工作时将各种空气质量模块的测量数据进行采集，并将数据通过无线模块进行传输并数据备份，系统不依赖外部的供电、传输系统，因此可实现分布式安装，是一种新型空气质量监测系统。

空气质量测量模块是实现各参数气体的测量功能。采用的是ze12型电化学模组模，利用电化学原理对空气中存在的co、so2、no2、o3等气体进行探测，具有良好的选择性，稳定性。内置温度传感器，可进行温度补偿；同时具有数字输出与模拟电压输出，方便使用。

其功能为测量空气中悬浮物浓度，采用zh03b模组，其是采用激光衍射原理，对空气中存在的粉尘颗粒物进行检测，具有良好的一致性、稳定性，具有串口输出。其测量量程为0~1000ug/m³，最小分辨颗粒直径为0.3μm。工作电流为120ma，待机电流为20ma，工作电压为5v。

vocs其功能为测量挥发性有机物的浓度，采用的方式是光离子模组zi01，其是高性能的pid系列模组，采用光离子气体传感器和高性能微处理器，使用离子灯产生的紫外光对目标气体进行照射轰击，目标气体吸收了足够的紫外光能量后就会被电离，通过检测气体电离后产生的微小电流，即可检测出目标气体的浓度。

为监测设备进行位置定位，并上传位置信息，便于平台进行位置的展示。采用的是标准gps模块进行实现，该模块定位精度为2.5mcep，工作电源3.3v，工作电流10ma。

设计时考虑到系统所处的现场工况较为复杂，布线后的防护、供电的可靠性等均难以保证，因此，本监测仪设计由锂电池供电方式，彻底解决现场供电的难题。同时系统内置无线数据传输模块，解决了数据传输的问题，实现了系统的无线化。为实现实时测量，系统控制部分可实现自动控制，设计配套防护箱，以保证系统可在户外正常使用，可是实现分布式安装。设备外壳采用防水箱、百叶箱方式实现，结构为一体式，气体探测模块放置于塔型百叶箱内部，控制器、传输模块、电池组等则放置于防水箱内部。

综上所述，本发明的监测仪通过各模块的设计，采用低功耗设计，内置电池、无线传输等设计，实现一种低成本、小体积、便于安装布设的监测装置及其方法，测量性能满足大气监测级别，可通过布设数量、数据分析等，对大气污染路径、形成路线进行评判，对污染源进行追溯的监测装置。

附图说明

图1为本发明空气质量监测装置的功能框图；

图2为本发明硬件工作流程图；

图3为本发明空气质量监测装置的mcu电路设计图；

图4为本发明空气质量监测装置的flash电路设计图；

图5为本发明空气质量监测装置的rtc设计图；

图6为本发明锂电池充电电路设计；

图7为本发明各测量模块电路设计图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述：

一种分布式空气质量监测装置，它包括有微型控制器12、pm2.5测量模块1、pm10测量模块9、so2测量模块2、no2测量模块11、co测量模块16、o3测量模块10、vocs测量模块13、温湿度测量模块3；

所述pm2.5测量模块1、pm10测量模块9、so2测量模块2、no2测量模块11、co测量模块16、o3测量模块10、vocs测量模块13和温湿度测量模块3与微型控制器12连接；

其中so2测量模块2、no2测量模块11、co测量模块16采用电化学气体测量模块，pm2.5测量模块1、pm10测量模块9采用激光衍射原理的粉尘测量模块；

pm2.5测量模块1用于实现pm2.5粉尘测量的模块；

pm10测量模块9用于实现pm10粉尘测量的模块；

so2测量模块2用于测量大气中二氧化硫浓度的模块；

no2测量模块11用于测量大气中二氧化氮浓度的模块；

co测量模块16用于测量大气中一氧化碳浓度的模块；

o3测量模块10用于测量大气中臭氧浓度的模块；

vocs测量模块13用于测量大气中挥发性有机物的模块；

温湿度测量模块3用于测量大气温度和空气温湿度的模块；

以上8类测量模块其均为ttl电平的数字接口，其内置有信号采集转换电路，外部处理器按照其通信协议进行数据读取，即可实现各测量参数的数据，各模块中txd、rxd接口与微型控制器相连。

本监测装置设计有gps模块4，用于监测仪的定位，在采集时自动读取gps信息，无需人工手动输入位置信息了；能实现数据采集外，同时根据工程测量要求，监测仪可实现自动定位、无线数据数据传送的功能、低功耗供电，可应用于多个场景。

nb-iot传输模块5和gprs传输模块6，实现监测仪与远程平台的数据交互功能。

本监测装置设计有锂电池8和实现便携式的供太阳能电池板15，锂电池8与实现便携式的供太阳能电池板15连接。本装置是一种低功耗监测装置，其内置锂电池，作为系统电源，提高系统实用性。

本监测装置设计有实时时钟模块7和数据存储模块14。本装置是一种低功耗监测装置，通过定时工作方式间歇性工作，并自动存储数据，

一种分布式空气质量监测装置的监测方法，该方法的步骤为：

1、pm2.5测量模块1、pm10测量模块9、so2测量模块2、no2测量模块11、co测量模块16、o3测量模块10、vocs测量模块13、温湿度测量模块3的txd、rxd管脚接到微型控制器的gpio端口中。

2、gps模块4、nb-iot传输模块5、gprs模块6分别接入dc5v电源，而数据接口分别接到微型控制器12的uart1、uart2、uart3端口；

3、实时时钟rtc7、数据存储flash14分别接到微型控制器的iic接口和spi接口；

4、以上电路模块共设计于一块底板pcb中，而锂电池8内部自带充放电管理电路功能，锂电池通过连接端子与底板pcb进行相连，5v太阳电池板则与锂电池的充电端口相连，实现充电的功能。

5、硬件在上电后，会进行初始化操作，操作主要内容是初始化端口信息、并获取配置存储器中的定时工作间隔信息，作为后续工作的频度信息；

6、初始化结束后，进行数据的采集，即将将pm2.5测量模块1、pm10测量模块9、so2测量模块2、no2测量模块11、co测量模块16、o3测量模块10、vocs测量模块13、温湿度测量模块3的数据轮询采集一遍，分别按照其模块的通信协议，获取数据信息；

7、获取到数据信息后，并读取存储器中的备份数据，一同打包通过gprs进行上传，若上传成功，则平台会下发确认信息，确认平台接受后，设备则将各模块配置为低功耗模式，降低功耗，并进行休眠，直到rtc产生下一次的中断信号，若平台未发送接收确认信息，则视为未正常上传数据，则需要将采集到的数据进行本地备份，直到下次采集后，进行数据上传，防止数据丢失；

8、系统工作由rtc产生的闹铃中断进行工作与低功耗的状态切换。

基本原理是：系统由锂电池供电、太阳能电池板充电的方式实现系统的供电，设备根据实时时钟的定时功能唤醒工作，工作时将各种空气质量模块的测量数据进行采集，并将数据通过无线模块进行传输并数据备份，系统不依赖外部的供电、传输系统，因此可实现分布式安装，是一种新型空气质量监测系统。

空气质量测量模块是实现各参数气体的测量功能。采用的是ze12型电化学模组模，利用电化学原理对空气中存在的co、so2、no2、o3等气体进行探测，具有良好的选择性，稳定性。内置温度传感器，可进行温度补偿；同时具有数字输出与模拟电压输出，方便使用。

其功能为测量空气中悬浮物浓度，采用zh03b模组，其是采用激光衍射原理，对空气中存在的粉尘颗粒物进行检测，具有良好的一致性、稳定性，具有串口输出。其测量量程为0~1000ug/m³，最小分辨颗粒直径为0.3μm。工作电流为120ma，待机电流为20ma，工作电压为5v。

vocs其功能为测量挥发性有机物的浓度，采用的方式是光离子模组zi01，其是高性能的pid系列模组，采用光离子气体传感器和高性能微处理器，使用离子灯产生的紫外光对目标气体进行照射轰击，目标气体吸收了足够的紫外光能量后就会被电离，通过检测气体电离后产生的微小电流，即可检测出目标气体的浓度。

为监测设备进行位置定位，并上传位置信息，便于平台进行位置的展示。采用的是标准gps模块进行实现，该模块定位精度为2.5mcep，工作电源3.3v，工作电流10ma。

设计时考虑到系统所处的现场工况较为复杂，布线后的防护、供电的可靠性等均难以保证，因此，本监测仪设计由锂电池供电方式，彻底解决现场供电的难题。同时系统内置无线数据传输模块，解决了数据传输的问题，实现了系统的无线化。为实现实时测量，系统控制部分可实现自动控制，设计配套防护箱，以保证系统可在户外正常使用，可是实现分布式安装。设备外壳采用防水箱、百叶箱方式实现，结构为一体式，气体探测模块放置于塔型百叶箱内部，控制器、传输模块、电池组等则放置于防水箱内部。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。