大气微颗粒采样及环境监测装置设计与应用

薛 帅, 郭自晓

(1.陕西国防工业职业技术学院 智能制造学院，陕西 西安 710000；2.河北师范大学 地理科学学院，河北 石家庄 050024； 3.河北省环境演变与生态建设实验室，河北 石家庄 050024)

大气污染是公众关注度高、影响严重的环境问题之一[1-2].在诸多空气污染物中,微颗粒粒径小、成分复杂、毒性成分多,污染危害较为显著,已成为专家学者关注的焦点[3-4].科研工作者对微颗粒的主要来源[5-7]、微颗粒成分[8-9]及其对身体健康的影响等开展了一系列广泛而深入的研究[10-12].大气微颗粒采集是以上研究开展的重要环节,样品品质对研究结论的准确性和导向性有较大影响.目前,大气微颗粒采样的主要方法:将滤膜直接暴露在大气中或采样器将空气吸入密闭空间,利用微颗粒的重力作用进行自然沉降,用滤膜收集颗粒物,采样完成后取回滤膜,在实验室进行样品后处理[13].大气微颗粒样品为特定周期内的综合采样结果,但是采样样品及外围因素(温度、湿度等)数据在时间尺度上的准确性和一致性不足.

近年来，随着大数据、物联网、传感器技术的进步,大气采样、监测技术正朝着智能化、低成本化和小型化方向发展[14].针对大气微颗粒采样及时间尺度上外围因素(温度、湿度等)动态监测的需要,结合物联网及传感器技术,笔者设计了基于物联网技术的大气微颗粒环境监测及采样装置,实现了时间尺度上样品质量、样品形成过程监测及环境数据采集,并进行了装置实验测试.本装置的设计研发可以提高大气微颗粒采样过程在时间尺度上的可视化性,实现长航时持续监测采样,为环境科研工作者提供高品质、高质量大气微颗粒样品.

1 系统原理设计

大气微颗粒环境监测及采样装置主要由3个模块单元组成,即搭载平台单元、采样单元和自主供电单元,如图1所示.搭载平台单元为采样单元、自主供电单元提供固定安装平台,为自主供电单元提供保护屏障.采样单元主要由微重力传感器、温湿度传感器、Arduino模块、4G通讯模块组成.自主供电单元由太阳能板、电源管理板、蓄电池组成,电源管理板对电源输入、输出进行综合管理,太阳光较强时为蓄电池充电,太阳光较弱或没有输入电能时,由蓄电池对采样单元进行供电.

样品重力作用下微重力传感器内应变桥产生电压差信号,电压信号经过A/D模块转换为24位质量数字信号.质量数字信号与温湿度传感器数字信号,分别通过对应TTL串口上传采样数据至Arduino模块.Arduino模块对采样数字信号进行处理,转换为十进制温湿度、样品质量数据,通过TTL串口发送至4G通讯模块,将温湿度及样品质量数据转换为MQTT协议格式上传至阿里云平台,实现样品质量和温湿度数据的实时采集与上传.

图1 大气微颗粒环境监测及采样系统原理图Fig.1 Schematic Diagram Showing Environmental Monitoring and Sampling System of Atmospheric Microparticle

2 系统设计

2.1 结构设计

搭载平台是大气微颗粒环境监测及采样装置的机械结构部分,为采样单元、自主供电单元、样品瓶等提供安装平台,满足室外放置、应对极端天气的结构强度要求.同时,功能上不仅要求其能够根据样品瓶形状灵活调整高度,而且要求装置内通风良好,削减密闭空间对温湿度传感器采样准确度的影响.

搭载平台的结构强度决定了其应对极端天气的能力.为了减少装置所用材料对样品的污染,结合材料强度等因素,结构采用铝合金材料.如图2所示,为了满足室外简易安装,采用分段3040铝合金型材作为框架主材料,装置长、宽、高分别为600，600，800 mm.铝合金型材之间依靠铝合金角件进行固定.装置上下、前后、左右安装厚度为0.8 mm铝合金板材.装置上面为600 mm×600 mm铝合金板材,中间开300 mm孔放置不锈钢漏斗.前后、左右安装800 mm×600 mm铝合金板材,板材上开400 mm×200 mm方形孔,安装防水通风格栅,确保装置内通风.

装置内两侧为平台安装支撑板,支撑板上开均布圆孔,平台安装支撑板通过角件与开孔支撑板连接,可以实现仪器搭载平台的高度调节；仪器搭载平台通过角件与平台安装支撑板连接.

图2 装置结构图Fig.2 Structure Drawing of the Device

2.2 采样单元硬件设计

采样系统为整个装置的核心部件,决定了装置采样数据的准确性与精度.如图3所示,采样微重力传感器HX711采用应变桥结构,重力作用下应变桥电压发生变化,质量数据电压信号通过A/D转换器转换为24位数字信号,再通过GPIO接口接入Arduino平台；温湿度传感器SHT30数据通过I2C接口与Arduino 平台进行数据通讯,对环境温湿度进行实时采样.Arduino平台将质量、温湿度等数据压缩为JOSN数据格式,通过RS232接口将JOSN压缩数据传递给4G通讯模块(银达尔),上传至阿里云物联网平台,通过云端大数据网站实时显示.

采样单元由自主供电单元提供电源,10 W太阳能板电压通过5 V稳压模块转化为稳定电压,接入太阳能管理模块,由太阳能管理模块对输入电能进行分配.太阳光较强时,电能对Arduino，Air724模块供电,并给聚合物电池充电；太阳光较弱时,由聚合物电池为Arduino，Air724模块供电.

图3 采样系统原理图Fig.3 Schematic Diagram Showing Sampling System

3 实验测试

按照上述装置系统设计方案,将加工好的零部件在实验室内进行装配,并进行系统功能测试.采样数据、设备状态通过4G网络上传至阿里云平台,可以对设备状态、采样数据进行实时监控,如图4所示.

图4 采样数据及状态监控平台Fig.4 Sampling Data and Status Monitoring Platform

将装置放置于实验室阳台,进行温湿度传感器、自主供电单元、采样单元长时间测试,以验证技术方案的可靠性.图5给出了2021年1月11～13日采集到的室内温湿度及样品质量数据.数据显示,2021年1月12日早8时，实验室内温度约12 ℃、湿度约32 %，随着太阳光直射，实验室内温度上升、湿度下降,样品瓶内水分挥发，样品质量减少,曲线呈下降趋势；12时左右,因实验室南侧有建筑物遮挡,阳光无法直晒,实验室内温度由17 ℃开始下降,湿度由27.5 %开始加大,样品周围环境水分冷凝,样品质量随之增大；16时左右,太阳绕过南侧建筑物直射阳台,实验室内温度有所回升,湿度有所下降；随着太阳西落,实验室内温度回落至约12.5 ℃、湿度约为32 %,样品质量基本处于稳定,约为1 446 g.研究检测到的温湿度对应关系与关亚楠等[15]的数据基本一致,进一步验证了该装置采样数据的准确性.

图5 温湿度、样品质量关系图Fig.5 The Diagram Showing Temperature,Humidity and Sample Mass

4 结 论

1) 针对大气微颗粒采样和环境参数动态监测的需要,对大气微颗粒环境监测及采样装置进行了结构设计,以满足采样系统安装需求和室外安装强度要求.结合物联网与传感器技术,设计基于物联网技术采样系统,可以实现时间尺度上样品质量、样品形成过程监测和环境数据采集.

2) 对装置采样系统进行实验测试,实验数据可以准确呈现环境温度、湿度变化,通过实验发现，样品质量随着环境温度、湿度有所变化,主要是由空气中水分的蒸发与冷凝所致,对水分蒸发、冷凝过程中环境参数之间的关联关系研究有一定的参考价值.