降尘量自动监测系统设计

沈 斌

(上海工业自动化仪表研究院有限公司，上海 200233)

0 引言

大气降尘是地球表层地气系统物质交换的一种形式[1]。降尘量可以较客观地反映与评价城市局部地区扬尘污染水平，对评价环境空气质量具有实际意义。近几年，中国北方地区在冬季经常出现PM10以上大颗粒物严重超标的现象[2]。降尘量监测已成为环境监测的1项重要指标。但目前环境监测系统内普遍采用的还是较落后的手工测量法。近年来，国内也逐步出现了基于压力传感器或β射线来自动监测降尘的仪器。但这些仪器基本仍处于前期研究或样机试验阶段，尚无成功的业务化应用案例[3]。

本文设计了基于重量法原理的降尘监测仪器。以该仪器为数据采集核心，通过对自动控制、嵌入式系统、通信及计算机技术的综合应用，本文设计了1套降尘量自动监测系统，以实现降尘监测的高效化、无人化、可视化。该设计解决了手工法存在的一系列问题，为替代传统手工测量法、推广降尘量自动监测提供了全新思路。

1 降尘量监测方法

1.1 降尘量手工测量法

降尘是指在空气环境条件下靠重力自然沉降在集尘缸中的颗粒物。目前，传统的监测方法主要为手工测量法。该方法通过在适宜地方设置规定大小的开口集尘缸，采集自然降尘。缸内装有乙二醇水溶液。监测人员每月将缸内含有降尘的液体转移至实验室，并在实验室内进行蒸发、干燥、称重、计算这一系列步骤后，得到每月的降尘量[4]。

1.2 自动监测的意义

在长期的手工测量法降尘监测实践中，手工测量法监测存在的工作量大、效率低、受人为影响及环境限制较重、实验室操作风险大[5-6]等局限性逐渐显现。

降尘自动监测技术能有效解决手工测量法存在的诸多问题。例如：采样周期1～2 d，解决了手工测量法监测时间分辨率低的问题；自动采样、自动称量和自动计算，消除了人为因素干扰的问题；运维工作量小，解决了人工放样、巡检工作量大的问题；实时调取监测数据，解决了数据滞后、时效性差的问题。

面对日益严峻的环境问题以及突发状况，降尘量的自动监测更能够满足精细化管控环境质量的要求。

2 总体设计

基于物联网技术的端+平台在环保领域空气监测、水资源监测、垃圾分类回收中已经逐步开始应用[7]。降尘量自动监测系统以当前的物联网概念为设计思路，从数据采集、计量、传送、应用等多方面入手，设计降尘监测仪，并将其与通信网络、信息平台、用户终端整合为一体化系统。单台监测仪由嵌入式系统控制自动运行。各降尘采集点的监测仪通过移动网络与信息平台进行数据交互。信息平台对各地的监测仪进行统一管理。数据用户及工作人员通过平台获取数据、报表，实现测试、维护等功能。

降尘监测仪是监测系统的关键设备，需在户外全天候条件下对自然降尘进行采集、烘干，并实现就地高精度称量。降尘监测仪在工作过程中自动上传本底值、校准值、称量值等测量数据，以及仪器结构状态、仪器故障信号等信息。

通信网络主要由无线网络构成，通过4G/5G网络将降尘自动监测仪连入互联网，实现仪器与信息平台的互联互通。

信息平台对运行中的监测仪进行设备管理、参数设置、固件升级等操作，并对降尘监测数据及仪器状态数据进行存储、显示、统计分析与加工处理，形成各类报表或进行数据转发。

系统结构如图1所示。

图1 系统结构图

用户终端包括计算机和移动设备。计算机用于信息平台的日常访问、报表打印等。移动设备一般供现场仪器维护队伍使用。

3 系统设计

3.1 降尘监测仪设计

降尘监测仪是监测系统的核心设备，对环境空气中可沉降颗粒物质量进行连续自动监测，并具备数据传输、存储、分析和处理的功能。降尘监测仪主要由集尘舱、测量舱、样品移转机构、自动控制恒温恒湿、主控制单元等组成。

降尘监测仪原理如图2所示。

图2 降尘监测仪原理图

①集尘舱。

集尘舱由集尘桶、采集盘、升降机构、防雨装置和加热装置组成。集尘桶为降尘的大口径收集容器。采集盘是储存容器，位于集成桶下方。通过升降机构，可以将采集盘和集尘桶连接或分离。集尘桶内壁采用防水防尘纳米涂层，外壁装有振动器，以促进降尘进入集尘桶下部的采集盘。

采集盘储存由集成桶采集的降尘。降尘经过加热、蒸发、冷却后由移转机构移入测量舱称量。

防雨装置由可旋转雨盖和雨量监测器组成。雨盖位于集尘桶上方。当监测雨量达到阈值时，自动关闭雨盖，以防止集尘桶内液体溢出。

加热装置由陶瓷加热盘及温度传感器构成，位于采集盘下方。通过升降装置将采集盘与集尘桶脱离后，加热装置与采集盘就可以紧密贴合以保证加热效果。加热装置在下雨结束后以及称量前，对采集盘进行加热、蒸发。

②测量舱。

测量舱是仪器的核心部件，为单独设置的恒温恒湿舱室，内设精密天平、升降机构、温湿度传感器等。

测量舱下方留有恒温恒湿装置的进出风口。采集盘通过移转机构在测量舱与集尘舱之间来回转运。采集盘位于测量舱内时，可由升降机构将其降至精密天平称量位，在称量接收后再升至移出位，由移转机构送回集尘舱。

精密电子天平应达到万分之一精度，可依据主控制单元要求进行多次称量并反馈数据。每次称量时，需保持温湿度基本相同，以保证称量的重复性误差满足要求。降尘监测仪长期在室外环境工作，需采用特殊加工处理的抗锈蚀电子天平，以延长使用寿命、确保准确度，并需要定制秤盘以满足采集盘的尺寸。

测量舱内顶部设置摄像头，在每次称量时进行拍照，并通过主控制单元传送至信息平台。

③样品移转机构。

移转机构包括电机、丝杆、定位光电开关、托架等。移转机构通过电机的正反转带动丝杆，实现托架连同采集盘进出测量舱。

④恒温恒湿装置。

恒温恒湿装置依据测量舱的空间定制化设计，安装于仪器的底部，与测量舱的进出风口相连。装置由可编程逻辑控制器(programmable logic controller,PLC)进行自动控制，采集测量舱内的温湿度信号，并根据主控制单元的要求自动调整测量舱内温湿度。

⑤主控制单元。

主控制单元采用嵌入式方案定制开发控制板。ARM处理器是目前业界公认的、领先的嵌入式处理器[8]。因此，本设计使用M4内核STM32芯片作为主控芯片。控制板内集成网口实现联网功能，包括多个电机控制系统和与之对应的限位传感器，用于控制机械结构的运行。控制板配置了多个串口用于连接串口设备，包括3个TTL串口、1个DB9连接计算机端的232串口和2根RS-485总线。预留多个12 V开关接口用于后期优化升级控制设备，如水泵、继电器等。

3.2 嵌入式系统逻辑设计

降尘监测仪主控制单元通过嵌入式系统的逻辑动作设计，实现监测仪自动测量初始值、自动变换结构及采样、自动干燥并恒温恒湿、自动测量、自动上传数据等功能。

监测仪工作设计为5个模式，分别为常规循环工作、本底值称量、测试循环、测试单步和运维。

常规循环工作是降尘仪的日常工作模式，由信息平台在仪器配置文件中设定循环工作的时间，暂定按48 h称量1次，每次0点开始称量。

本底值称量即在仪器更换采集盘后，首次对空盘重量进行称量。此值作为后续称量数据需扣除的本底值。本阶段仪器将本底值称量后上传平台，经人工判断后由信息平台给出重新称量或模式切换指令。测试循环/单步模式均为测试仪器稳定性，与常规循环工作模式相比简略或缩短了某些步骤，提高了测试的效率。

降尘仪监测首次上电时，将进行设备初始化工作，复位各电机至初始位置状态，结束后根据信息平台指令进入相应工作模式。以常规循环模式为例，降尘监测仪的自动工作流程设计包括降尘采集和降尘测量这2个阶段。循环往复，整个流程一般设置为48 h，定时进入降尘测量阶段。

进行降尘采集时，集尘舱内升降机构上的升降采集盘与集尘桶连接，集尘桶盖自动打开，开始集尘。在集尘过程中，集尘桶舱门随雨量传感器进行关闭/开启动作。集尘时间倒计时结束后，关闭集尘桶盖，振动器动作，完成集尘流程。其中，在降尘采集流程结束前0.5 h左右，恒温恒湿装置启动，为测量舱建立恒温恒湿环境，从而作好降尘测量准备工作。

降尘采集流程结束后随即进入降尘测量流程。首先，通过加热盘进行降尘样本除湿，在采集盘温度达到150 ℃左右可判断样本已干燥完毕。然后，进行样本冷却。当采集盘温度降至25 ℃左右即可通过移转机构将其送入测量舱内。

采集盘在测量舱内首先完成样本拍照上传，随后降至称量位置，依据主控制单元指令进行称重，连续进行称重值发送。主控制单元提取多个称量值中频率最高的值作为本次称重数据。采集盘随后上升再落下称重，连续完成3次称量，在合理误差范围内的数据将上传至信息平台作为本次称量值。若误差较大则进行报警，随即启动电子天平程序。内校完成后，继续进行称量[9]。若数据仍不理想，将设备标记为故障状态，要求维护。

降尘测量流程结束后，降尘监测仪自动进入采集流程。由此循环往复，并在工作过程中周期性上传仪器工作信息、气象信息等。

3.3 信息平台及通信设计

信息平台采用浏览器/服务器模式(browser/server,B/S)架构以及目前广泛使用的模型-视图-控制器(model-view-controller,MVC)设计模式[10]，以开源软件或框架为基础设计。平台人机界面使用jquery easyui。后台采用SpringMVC+mybatis的框架和技术。数据库以Mysql为主。

信息平台可以显示各台仪器的实时状态，以及每次称量的数据、照片等，并依据相关数据进行应用扩展，包括降尘月报分析、运维提醒、仪器健康度等。平台主要功能包括用户管理、设备管理、数据管理分析等。

信息平台服务人群分为降尘监测方、仪器运维方和制造测试人员。降尘监测方权限只包含相应测点仪器的数据查看权限。仪器运维方除数据查看权限外，还包含仪器模式切换权限(常规循环工作-本底值称量-运维)和仪器复位权限。制造测试人员拥有全部权限，包括仪器模式切换权限等。

信息平台通过地理信息系统(geographic information system，GIS)实时显示设备实际位置、运行状态、健康程度，并对设备进行全生命周期管理，将故障信息推送给运维人员。

信息平台对各地降尘数据进行归类，按规范生成日、周、月报表，并在数据超标时适时提醒降尘监测方。

信息平台与降尘检测仪之间采用传输控制协议/国际协议(transmission control protocl/internet portocol,TCP/IP)方式通信，依据污染源在线自动监控(监测)系统数据，传输标准定义通信协议的数据结构。每台仪器均拥有唯一的设备标志。所有通信包都由ASCII码字符组成。每个包均由包头、数据段长度、数据段、校验码和包尾组成。其中，数据段包括请求编号、系统编号、命令编号、访问密码和设备唯一标志[11]。通信包数据段结构如表1所示。

表1 通信包数据段结构

例如，监测仪上传至平台的含重量信息的通信包为##0184；QN=20190103164400049;ST=39;CN=2011;PW=123456;MN=008600212019010300000001;Flag=5;CP=&&StartTime=20190103043000;EndTime=20190113043000;a34011-Rtd=88.1783;a34011-day=23.6;a34011-Flag=N;&&C77B。其中：##0184为包头；请求编号QN=20190103164400049为精确到毫秒的时间戳；系统编号ST=39为降尘污染源；CN=2011为自定义降尘数据上传的命令编号，用于信息平台识别解析，交互其他信息时改变CN的值即可；MN为唯一的设备编号，用于信息平台识别信息来源；数据区包含CP的2个&&之间，其格式可根据需要自行定义；a34011-Rtd=88.1783为降尘量大小。

4 系统应用

降尘自动监测系统在上海市进行了试点应用，在市区多个降尘国控监测点位部署监测仪进行测试和验证。

试点期间，系统运行稳定，每台监测仪以1～2 d为周期进行采样，形成各试点的降尘量数据。相比手工测量法只能产生月度数据，监测仪监测数据的时间分辨率大幅提升。试点期间总共获取近3 000组数据。其中：异常低值和零值共17组；数据有效率为99.4%。信息平台各类数据接收、存储、分析均正常。实时监测仪器状态，自动生成各点位的降尘趋势图表、月度报表等，大幅缩减了降尘监测的人力投入，实现了整体系统的设计目标。

5 结论

环境的监测和治理任重而道远。现有的监测监管手段及标准需要全面升级。智能仪器、物联网、信息平台相融合的自动监测系统是未来发展的主要趋势。降尘量自动监测系统有效解决了手工测量时样本转移损失大、工作量大和数据滞后等问题，实现了降尘量传统的手工监测向全自动监测发展。未来，精准的降尘数据可以与大气扬尘、可挥发有机物等数据一起形成更全面的大气监测数据体系，为雾霾的预报及成因研究提供有力支持，助力城市环境的精细化管理。