（贵州大学电气工程学院 贵州省贵阳市花溪区 550025）
摘要：近年来我国各地区出现了严重的雾霾污染，对大气灰霾的监测成为当前环保研究的热点。定点、连续地对灰霾颗粒进行采样和测量，高效处理获取的相关数据，将监测结果实时发送给用户，是大气灰霾监测系统的基本任务。无线传感器网络是目前环境监测领域的热点技术。本文以四川成都为例，结合该城市的一些基本情况，基于无线传感网络技术，提出了一套对当地大气灰霾进行实时监测的系统的设计构想。
关键词：无线传感网络，大气灰霾，监测方案
0 前言
我国城市建设和经济高速发展，带来了生活、交通和工业排放的增加，引起了雾霾等大气环境问题。采用科学的方法监测大气灰霾，对于城市大气环境的治理和改善有着重要意义。
目前，我国许多城市的大气灰霾颗粒物监测仍在采用人工采样、送样至实验室分析的传统方式，费工费时，且样品捕获率低、分析时间长、数据汇总慢、信息量少，其监测结果不能很好地反映雾霾在时间和空间上的分布情况和变化规律，已无法适应当前城市大气环境治理的需要。因此，需要采用新技术新方法，对灰霾颗粒进行实时监测。
为适应城市大气环境治理新的需要，本文认为新构建的灰霾颗粒实时监测系统应具备以下特点:
（1）以自动监测代替人工送样实验分析，提高监测的实时性；
（2）能够长期采集环境背景和大气灰霾的连续监测数据；
（3）能够根据相关数据采集、汇总和分析的结果，及时掌握当前灰霾颗粒物的现状和流动趋势，能大致判断影响范围和大致预测能见度。
1 无线传感网络
无线传感网络(Wireless Sensor Networks,WSN)是一种分布式传感网络，由大量的静止或移动，小体积、低成本的传感器节点，以自组织、多跳变的方式构成无线网络，以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络的所有者。
无线传感网络技术以微机电系统、片上系统、无线通信和低功耗嵌入式技术为基础，具有低功耗、自组织、多跳变、泛在协同和数据为中心的特点，集数据的采集、处理和传输为一体，真正实现了信息的“无处不在”。由于WSN能够准确、快速地获取客观物理信息，在军事国防、生物医疗和环境监控等多个领域获得广泛应用[1]。
2 系统监测方法
对大气灰霾的实时监测，最重要的信息是各类排放源的排放情况、排放量和大气环境浓度[2]。文献[3]指出，由于灰霾成分及特征的复杂性，应选取其中有代表性的成分，针对其特征设计监测方案。文献[4]的观测结果显示，城市地区灰霾的主要来源为工业生产、交通排放和城市基础设施修建。文献[5]、[6]的研究结果证明，灰霾颗粒物的粒径分布、质量浓度与大气能见度直接相关。
灰霾中既包括阻碍大气能见度的大气颗粒物，也包括挥发性气态污染物以及可能超出卫生安全标准的臭氧。大气气溶胶的粒径范围约为0.003～100微米。气溶胶的一个重要物理性质是颗粒的吸湿性，而化学成分可以简单分为：水溶性无机离子、有机物、元素碳（黑碳）。
对大气灰霾的监测，应包含以下方面：
（1）颗粒物浓度：PM2.5；
（2）基本污染因子：SO2、NOX、CO、O3；
（3）气象条件观测：风速、风向、温度、相对湿度、气压。
2.1 颗粒物监测
监测分析中的采样和质量浓度、粒径分布测定，一般使用大流量或小流量采样器，滤膜捕集APM。PM2.5的自动检测方法，有3种国际认可的方法：振荡天平法、β射线法和光散射法。
文献[7]对上述3种方法的对比指出，振荡天平法和β射线发的实时性和普适性较差，对PM2.5的监测存在很大的硬性误差；光散射法具有灵敏度高、测量速度快、重复性好、可测量粒径及适用于在线非接触测量等优点，能够满足实时性和普适性的要求。
2.2 基本污染因子监测
对大气灰霾中的基本污染因子，需监测的项目及其方法如表2.1所示：
2.3 气象条件监测
气象条件对于灰霾颗粒物的分布和转移有直接影响，为掌握灰霾颗粒物的活动规律，应当对用于描述气象条件的主要参量进行监测。需监测的项目及其方法如表2.2所示：
3 城市地区大气灰霾颗粒监测设计——以成都市为例
近年来，受各种因素影响，成都市雾霾污染日益严重，频率之高、波及之广、程度之深前所未有，持续大面积爆发的雾霾污染已严重危及成都市及周边地区的社会经济发展。
3.1 成都市雾霾污染的现状及特征
综合分析成都及周边地区雾霾污染的相关资料，总结出成都地区的雾霾污染主要呈现以下特征：
重度污染天气突出，表现为：受污染范围广、持续时间长、污染程度深、受影响人数多。
（2）大气污染物排放量大，以SO2、NOX、烟/粉尘的排放为主。
（3）区域性特征明显。
成都是四川省工业化、城镇化进程快速推进的主要地区，雾霾污染呈现出典型的区域性、结构性、复合性和压缩性，是四川省雾霾污染的主要地区。由于发展质量较低、产业布局不尽合理、工业结构偏重、能源结构偏“黑”、城市功能混杂等原因，使得工业生产、燃煤、建筑、交通和秸秆焚烧造成的污染突出。
季节差异大。
四川省的地理自然条件对天气影响较大，大气污染冬季最严重的、春秋次之、夏季较轻。另外，春季还会受到一定程度的沙尘暴影响。
3.2 监测方案总体设计
灰霾监测站点的选择首先应考虑到的是代表性，一般有多个，较为典型的有学校、医院、工厂，也有一些设在人口密集的地区。站点的选择应能够较为真实反映城市环境的状况。所选取的站点中，应确保有一个基准站点、一个管控站点。
根据成都及其周边地区雾霾污染的历史资料，可考虑在市区和郊区选择有代表性的区域，设置4～5个观测点，采集不同季节的大气气溶胶样品，特别注意采集严重灰霾天气大气颗粒物，分析灰霾颗粒物中化学组分的季节变化特征。实时在线监测大气中PM2.5的质量浓度、粒子数浓度、粒径分布和气态污染物如SO2/NOX/O3以及大气能见度、风温湿等气象要素，分析气溶胶物理化学特征、气象条件与大气能见度的关系。
3.3 监测系统的整体设计
灰霾颗粒实时监测系统通过无线传感器网络的方式建立，其系统组成框图如图3.1所示。
监测区域内传感器节点采集空气中灰霾颗粒物、污染因子、气象因子等相关数据，将采集到的数据经过多跳方式进行传输和处理，通过无线网络传递到路由节点，经无线网关传到服务器平台，服务器同时完成数据收发和系统的配置，最终用户可以通过电脑网页对传感网络进行配置和管理，完成监测任务。电脑网页将采集处理后的数据以图表等可视化界面向用户展示，供用户参考。
3.3.1 硬件设计
传感器节点由4个功能模块构成。包括感知模块、数据处理模块、通信模块和电源模块，如图3.2所示。 感知模块由灰霾颗粒（PM2.5、PM10）相关传感器、污染因子（SO2,NOX,CO,O3）相关传感器、气象因子(气象五参数，光照辐射，能见度)相关传感器组成，传感器负责监测相关目标的特征参数，并产生相应的模拟信号．通过模/数转换器将模拟信号转换成数字信号，然后将数字信号送到处理模块进行处理。处理模块采用单片机NodeMCU，负责对数据进行处理转换，并对传感器节点进行控制；通信模块采用ESP8266 Wifi 芯片，自动加入组建好的特定无线网络，接收采集来的数据并发送出去，同时负责控制信息的传递。 电源模块使用干电池，为传感器节点各模块提供电能。
3.3.2 软件设计
利用NodeMCU单片机加装上述功能的传感器，将传感器的数据以模拟量读入单片机，储存在单片机ROM中，并自动刷新数据。其中，NodeMCU单片机自带Wifi通讯模块，通过自建加密的无线网络基地台（AP），当使用者持通讯设备时，可加入热点，进入指定的网址查看近期数据。可加密的AP既保证了安全性，也保证了数据的实时性和可读性。各部分主要程序代码如下：
//获取传感器数据
float h = dht.readHumidity();
float t = dht.readTemperature();
float co2 = air.getCo2(pinAir);
float so2 = air.getSo2(pinAir);
uint16_t x = tsl.getLuminosity(TSL2561_VISIBLE);
uint32_t lum = tsl.getFullLuminosity();
uint16_t ir, full;
ir = lum >> 16;
full = lum & 0xFFFF;
//建立AP热点
const char *ssid = "ReaderAP";
const char *password = "yourpassword";
ESP8266WebServer server(80);
server.send(200, "text/html", "<h1>You are connected to Reader Server!</h1>");
WiFi.softAP(ssid, password);
IPAddress myIP = WiFi.softAPIP();
Serial.print("AP IP address: ");
Serial.println(myIP);
server.on("/", handleRoot);
server.begin();
Serial.println("HTTP server started");
server.handleClient();
//传送数据
server.println("<html>");
server.print("Humidity is now: ");
server.println(h);
server.print("Temperature is now: ");
server.println(t);
server.print("Co2 is now: ");
server.println(co2);
server.print("So2 is now: ");
server.println(so2);
....
结束语
空气质量与健康的城市生活密切相关，以实时监测大气灰霾为重点的城市环境监测正快速发展。基于无线传感网络的大气灰霾监测系统，有效地节约了人力物力，实现了环境监测数据的实施高效处理，真正将“信息无处不在”的理念应用于环境保护，为城市空气质量的治理和改善提供了有力的数据依据。同时，该系统的研究，也为环保领域的其他监控系统，如辐射监控系统、污染源监控系统、固体废物监控系统等，提供了理论依据和实现的参考模型。
参考文献
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[2]齐文启,孙宗光,边归国.环境监测新技术[M].北京:化学工业出版社环境科学与工程出版中心,2003.9:40.
[3]刘奕尧,邢梦林,王维思 等.2014年郑州市一次灰霾天气下空气污染特征分析[J].安徽农业科学,2015,43(32):119—121.
[4]高鹏.融合TD与ZigBee无线传感网络解决城市环境监测的系统设计与实现[J].移动通信,2012,6:60—64.
[5]韩毓,白志鹏,孙韧.颗粒物质量浓度对大气能见度水平影响分析[J].环境监测管理与技术,2008,20(4):60—65.
[6]顾卓良.灰霾天气不同粒径的颗粒物污染特征分析[J].环境监测管理与技术,2012,24(2):31—33.
[7]齐文启,孙宗光,边归国.环境监测新技术[M].北京:化学工业出版社环境科学与工程出版中心,2003.9:.
[8]李伟平,罗晖.基于无线传感技术的PM2.5监测系统研究[J].科技广场,2014.4：69—70.
项目来源：贵州省高等学校大学生创新创业训练计划（编号：201610657017）
指导老师简介
罗雪梅，39岁，副教授，研究方向为现总线技术。主要成果：近五年来，主持并完成省基金项目1项，参与国家自然科学项目1，参与省部级科研项目4项。主持校教改项目1项，参与省级教改项目2。发表论文6篇。
论文作者:杜欣雷,钱威,傅潇天,罗真,贾竞峰
论文发表刊物:《电力设备》2017年第6期
论文发表时间:2017/6/14
标签：大气论文; 传感器论文; 数据论文; 实时论文; 环境监测论文; 颗粒物论文; 粒径论文; 《电力设备》2017年第6期论文;