工业园区内空气质量实时监测的技术研究

滑洁，姚二伟

（1.河北机电职业技术学院，河北邢台，054000；2.河北内丘工业园区管委会，河北邢台，054200）

1 工业园区大气污染的特点

首先，具有长期性、复杂性特点。由于工业园区内大部分企业是连续作业的，在企业的生产城中所对环境中排放的废气具有长期而持续的特点。

其次，大气污染是一个不断积累的过程。由于工业园区内的大气污染是在日积月累过程中所形成的，尽管环境具有一定的自净能力，并且对企业所排放的污染物具有一定得消除能力。但是，邢台的地理位置和气象气候对空气扩散十分不理想，因此从长期来看，污染情况仍然十分严重。

还有，大气污染具有扩散性特点。由于空气具有流动性，这就导致企业所排放的气体污染物质具有扩散性和广布性，工业园区的大气污染势必会对周围环境产生严重影响，给周边生活的居民以及居民正常的生活带来危害。

2 工业园区大气污染的危害

众所周知，大气污染会对人类及其他生物造成巨大威胁，大气污染物质通过呼吸作用进入到人类或生物的体内，危害生物的生命安全。具体来讲，

第一，工业园区的大气污染严重危害人类的身体健康。在河北省，很大一部分人群会出现呼吸道疾病，这主要是由于吸入了工业园区复杂成分的大气污染物质，严重的时候还会引发人体功能器官病变。由此可见，工业园区的大气污染严重威胁人类的生命安全。

第二，工业园区的大气污染不利于植被的正常生长。二氧化硫是工业园区大气污染物质中对植被生长破坏作用最强的气体，只要是植物通过呼吸作用和光合作用吸入了二氧化硫，植被的正常生理机能就会受到影响，出现植被叶子变黄或者植物表面出现伤痕，等等。当二氧化硫浓度极高时，吸入气体的植被甚至会直接死亡。

第三，工业园区的大气污染严重影响环境。大气污染物质的增多会形成雾霾天气，空气能见度变低，空气更加浑浊，人、动植物都会整天在一种雾蒙蒙的状态中，生活阳光无法直射地球表面。工业园区的大气污染物质数量的增多，会引发近地面温度升高，而周围地区的温度低，就会发生“热岛效应”。

3 影响邢台市工业园区空气质量的主要因素

工业布局不合理。一些工业原材料包括玻璃、水泥、钢铁、电力等，都会产生高污染。而一旦工业布局不合理，工业园区分布于城市周边25公里内或者分布于市中心工业园区内，所排放的大量高污染物就会对城市的空气质量造成严重影响。

煤炭消耗量过大。据不完全统计，河北省邢台市工业园区的燃煤污染物已经远远超过了城市的最大环境容量，是造成空气质量低下的最重要因素。

河北省邢台市结合气象因素不利。从地理位置上来看，河北省邢台市处于凹槽地带，与邯郸和石家庄相比，海拔要低很多，这就导致邢台市的风速低，地势低，更容易形成逆温层。大气中的污染物更容易向低地势的城市流动，邢台市汇聚了大气中的污染物，进而形成大气污染和雾霾天气。

4 河北省邢台市工业园区内空气质量实时监测系统

结合上述几点，监测工业园区的大气污染情况对当地环境、人文活动都具有指导意义，也为当地空气质量预测和空气治理带来数据依据。但目前，工业园区还没有一个能够广范围覆盖、成本低、传输快的空气监测网络，因此，建立一个无线传感网络比有线网络更能够即时、有效的反应当前园区内空气质量，以便为当时的生产安排、组织活动做一个参考依据。

工作原理：利用传感器对工业园区内主要空气污染物包括：PM2.5、二氧化硫、硫化物、一氧化碳等进行采集、将采集结果即时上传至终端。从而对当前园区内空气质量进行24小时不间断监测，利用aqi技术对超标污染气体进行标定。整体系统框图如图1所示。

图1 整体系统框图

4.1 硬件设计

4.1.1 传感器选择

PM2.5粉尘传感器采用的是YW-51GJ粉尘传感器，该传感器能完全替代夏普公司的GP2Y1051AU粉尘传感器，而价格更为低廉，该传感器可以采用简单的算法直接将输出结果换算为当前颗粒浓度。

其工作原理是：利用微小颗粒对光的散射。当微小颗粒物经过检测孔时，对光线形成散射。散射光线的一部分通过光轴，经透镜聚焦到感光元件，感光元件将光信号转化为电信号输出。

SO2检测传感器使用的是7NE系列红外SO2传感器，7NE系列高精度红外气体传感器采用非色散红外(NDIR)检测技术，其外形尺寸小，具用设计的独特的结构特点，还可以按现场的要求设计，传感器采用镀金引脚拔插结构，方便安装更换，可实现即插即用。该产品具有抗干扰性好，寿命长、精度高等特点，内置温度传感器，自带温度补偿。该传感器使用方便，具备有完整的气体探测、串口通信功能。

还可以根据实际需要填加CO、二氧化氮等空气检测传感器。

4.1.2 无线网络通信模块

（1）通信模块核心选用了CC2530芯片，CC2530 是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。该芯片拥有领先的RF收发器，结合了标准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM和许多其它的强大功能。其部分结构框图如图2所示。

图2 CC2530简结框图

通过软件设定协调器和采集节点，采集节点通过传感器采集的信号传输给协调器，并由相关扩展电路显示、保存或可做进一步处理。

（2）接口与扩展电路将通讯模块作为主板后，通过CC2530芯片的引脚和I/O端口连接所需的外围器件，便构成了整个空气监测系统。包括电源电路、显示模块、接口电路、ADC转换电路等。

4.2 软件设计

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。根据国际标准规定，ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。硬件选择了ZigBee CC2530芯片，应用开发工具我们就采用IAR EW，它是一套完整的集成开发环境，包括代码编辑器、工程建立、C/C++编译器、连接和调试等。使用TI公司基于ZigBee的协议栈ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0对CC2530进行初始化与执行操作。使协调器向采集终点节点发布监测任务并收集数据，再通过串口上传到主机进一步可做其他处理。

4.3 多参数的大气污染物自动监测系统

在无线自动监测系统中加入数据的审核，空气质量查询、分析、评价，污染溯源分析和污染源普查等，把相关数据信息存储到数据库中，并实时显示最新的气象数据以及最新的空气污染物浓度值，以图示的形式来展示最近的大气监测数据变化趋势。该工业园区大气污染自动监测系统框架如图3所示。

图3 工业园区大气污染自动监测系统框架

该系统的优点在于在预警系统中充分利用污染物快速响应、突发事故源远程快速识别和检测技术等，帮助预警系统快速获取大气污染事故的重要参数。实现了对工业园区大气环境质量的自动监测，特征污染物的自动监测，气象数据的监测，工业园区风险源信息的监测。并基于大气污染扩散模型，可以实现对污染事故的分级预警发布。

5 结语

本文简单设计了快响应监测无线空气质量监测系统，希望能在空气质量预警、治理方面做一点微薄贡献。