基于云處理車載移動(dòng)大氣顆粒污染物的環(huán)境檢測(cè)方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及大氣環(huán)境檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于云處理平臺(tái)的車載移動(dòng)PM2.5大氣顆粒污染物的環(huán)境檢測(cè)方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]研究適合于車載移動(dòng)的PM2.5環(huán)境監(jiān)測(cè)器與云計(jì)算技術(shù)，配合城市現(xiàn)有PM2.5監(jiān)測(cè)站，及時(shí)、準(zhǔn)確并全面地反映大氣質(zhì)量及趨勢(shì)，為環(huán)保、污染源監(jiān)控、城市規(guī)劃等提供科學(xué)的依據(jù)，結(jié)合工業(yè)布局、城市交通、人口等元素，進(jìn)行系統(tǒng)研究，密切監(jiān)控城市大氣質(zhì)量并起到積極的技術(shù)支撐作用。
[0003]懸浮在空氣中的液態(tài)與固態(tài)顆粒狀物質(zhì)統(tǒng)稱為大氣顆粒物。各種顆粒物分散在空氣中構(gòu)成了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的懸浮體系，通常按照粒徑把大氣顆粒物分為:總懸浮顆粒物TSP、粗粒子PM10和細(xì)粒子PM2.5。粒徑大小是影響大氣顆粒物危害性的重要因素，細(xì)粒子PM2.5直徑相當(dāng)于人類頭發(fā)的十分之一，顆粒物空氣動(dòng)力學(xué)粒徑大小決定其進(jìn)入呼吸道和在呼吸道內(nèi)的滯留。細(xì)粒子PM2.5被吸入人體后會(huì)直接進(jìn)入支氣管，干擾肺部正常工作，引發(fā)包括哮喘、支氣管炎等方面的多類疾病。Mie的散射理論指出:包括細(xì)粒子在內(nèi)的微小顆粒受到光線照射時(shí)，如果光波長(zhǎng)所在的數(shù)量級(jí)與顆粒直徑相當(dāng)，則光能主要以光散射的形式衰減。Mie散射具備以下三大光學(xué)特征:1)散射光強(qiáng)度分布隨著角度的變化而變化。當(dāng)入射光波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于粒子直徑時(shí)，散射光光強(qiáng)分布復(fù)雜。2)隨顆粒物直徑增大，前向散射光子數(shù)相對(duì)增加，后向散射光子數(shù)則相對(duì)減少。3)當(dāng)顆粒物直徑遠(yuǎn)大于散射光波時(shí)，則主要發(fā)生光線的衍射，此時(shí)波長(zhǎng)和粒子直徑對(duì)散射光的影響很小?；贛ie散射的思路，細(xì)顆粒物受光照后會(huì)發(fā)出散射光信號(hào)，接收到的散射光與顆粒物濃度呈現(xiàn)一種線性關(guān)系，通過該原理可計(jì)算出大氣顆粒物濃度。目前城市區(qū)域350米以下基本都有顆粒污染物存在，我國城市尤其是大城市污染程度嚴(yán)重，由于工業(yè)信息化程度仍處于較低水平，城市公眾對(duì)于PM2.5的污染關(guān)注度不斷提升，使得城市區(qū)域PM2.5的監(jiān)測(cè)顯得日益重要。
[0004]現(xiàn)有采用光散射法的PM2.5環(huán)境監(jiān)測(cè)器依據(jù)微粒Mie散射理論進(jìn)行制造。其工作原理是通過光束檢測(cè)大氣顆粒物尺寸，大氣顆粒物尺寸數(shù)量級(jí)等于或大于光的波長(zhǎng)時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生光能衰減，其表現(xiàn)形式主要是光的散射，該類監(jiān)測(cè)器主要包括光源、透鏡、反光鏡、光電探測(cè)器、信號(hào)放大器與電信號(hào)分析電路等組成部分。當(dāng)大氣顆粒物受光線照射并發(fā)生光線散射現(xiàn)象時(shí)，光電探測(cè)器利用反光鏡聚焦透鏡的方式，通過捕獲散射光以完成光電信號(hào)轉(zhuǎn)化，隨后將獲取的光電信號(hào)通過前置放大與噪聲濾波等實(shí)時(shí)處理后，在電信號(hào)分析電路中進(jìn)行脈沖發(fā)生量計(jì)算。由于脈沖與大氣顆粒物相對(duì)濃度成正比，系統(tǒng)每接收到一次脈沖信號(hào)就表示檢測(cè)器接收一個(gè)散射光。通過在相同大氣環(huán)境下多組測(cè)量后收集的大氣數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)擬合技術(shù)計(jì)算并獲取PM2.5環(huán)境監(jiān)測(cè)器測(cè)出的大氣顆粒物數(shù)據(jù)。目前我國PM2.5環(huán)境監(jiān)測(cè)器生產(chǎn)企業(yè)大都采用光學(xué)方法設(shè)計(jì)與制造PM2.5檢測(cè)器，在設(shè)計(jì)中通過利用射線動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)技術(shù)以減少檢測(cè)誤差。在使用中采用鋰電池給檢測(cè)系統(tǒng)供電，由于鋰電池自身體積較大、成本、重量、充電等客觀因素，現(xiàn)有PM2.5環(huán)境檢測(cè)器并不適合車載移動(dòng)使用。通過國內(nèi)市場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn):現(xiàn)有環(huán)境監(jiān)測(cè)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫仍主要基于傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，難以適應(yīng)日益增長(zhǎng)的海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、大規(guī)模數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)上述存在的問題，本發(fā)明旨在提供一種基于云處理車載移動(dòng)大氣顆粒污染物的環(huán)境檢測(cè)方法及系統(tǒng)，針對(duì)城市區(qū)域PM2.5的檢測(cè)，發(fā)明一種基于云處理平臺(tái)的車載PM2.5環(huán)境檢測(cè)方法，主要涉及前端車載檢測(cè)器設(shè)備與后端云處理平臺(tái)，采用低價(jià)、可移動(dòng)的PM2.5環(huán)境監(jiān)測(cè)器輔助傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測(cè)站的工作方式，可以形成數(shù)據(jù)的有效互補(bǔ)，以便掌握城市區(qū)域大氣中全面、真實(shí)的細(xì)粒子PM2.5數(shù)據(jù)。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:
基于云處理車載移動(dòng)大氣顆粒污染物的環(huán)境檢測(cè)方法，包括以下步驟:
(1)前端車載移動(dòng)PM2.5環(huán)境檢測(cè)器部署步驟:所述環(huán)境檢測(cè)器安裝在城市公交車輛頂部位置，采集5米以下的大氣顆粒物濃度信息，車輛電源對(duì)環(huán)境檢測(cè)器進(jìn)行供電；
(2)前端車載移動(dòng)PM2.5環(huán)境檢測(cè)器數(shù)據(jù)檢測(cè)步驟:包括氣路模塊、光電檢測(cè)模塊、前置放大器模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊、電壓轉(zhuǎn)換模塊、CPU處理器以及GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸模塊部分；氣路模塊采集大氣顆粒物PM2.5，光電檢測(cè)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將光的變化轉(zhuǎn)換成電量的變化，獲取PM2.5顆粒濃度數(shù)據(jù)，輸出電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過前置放大器放大后傳輸給A/D轉(zhuǎn)換模塊，再由數(shù)據(jù)采集與處理模塊將數(shù)據(jù)傳輸給CPU處理器，由CPU處理器進(jìn)行PM2.5顆粒物檢測(cè)，最終通過GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸模塊進(jìn)行檢測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸，電壓轉(zhuǎn)換模塊在檢測(cè)的同時(shí)向光電檢測(cè)模塊、前置放大器以及A/D轉(zhuǎn)換模塊提供電壓；其中，大氣顆粒物PM2.5的計(jì)算步驟如下:
a、經(jīng)過光電檢測(cè)模塊的大氣顆粒物檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)形成反映顆粒物粒徑的PWM波形，低電平波形寬度為10 ~ 90微秒，利用PWM波形獲取相關(guān)參數(shù)，通過計(jì)算低電平的占空比，從而獲取對(duì)應(yīng)數(shù)值，T表示30秒內(nèi)低電平累積時(shí)間，L表示通道的低電平脈沖占空比，存在:L= (T/30) X 100，采用P表示測(cè)試的采樣值，
b、當(dāng)獲取到的L< 0.08，則:
P = 0.1XLX100X10 (微克 / 立方米)；
當(dāng) 0.08 彡 L〈 0.15，則:
P = (((LX 100-8)/6.5 + 0.8)) X 10 (微克 / 立方米)；
C、將光電檢測(cè)模塊其中1個(gè)通道設(shè)置為檢測(cè)1微米以上的粒子值P1，另1個(gè)通道設(shè)置為檢測(cè)2.5微米以上的粒子值P2，通過采集兩個(gè)通道的采樣值，采用下式計(jì)算最終的顆粒物PM2.5采樣值PL:
PL = P1- P2
最終計(jì)算出大氣中粒子直徑小于或等于2.5微米的顆粒物含量；
(3)進(jìn)行后端云存儲(chǔ)與云處理步驟:包括接入服務(wù)器模塊、處理服務(wù)器集群、存儲(chǔ)服務(wù)器集群及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器模塊部分；經(jīng)過GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收，數(shù)據(jù)經(jīng)處理服務(wù)器集群進(jìn)行計(jì)算、處理，處理的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)服務(wù)器集群、最終通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)發(fā)布。
[0007]進(jìn)一步的，所述光電檢測(cè)模塊包括紅外光學(xué)傳感器和外圍電路。
[0008]進(jìn)一步的，所述紅外傳感器由紅外光源發(fā)射部分、加熱器、散射光收集部分以及透鏡四部分組成。
[0009]進(jìn)一步的，紅外光學(xué)傳感器內(nèi)置加熱器，上升氣流使傳感器外部空氣進(jìn)入傳感器內(nèi)部，傳感器內(nèi)部的空氣經(jīng)過檢測(cè)通道，利用上述光線傳導(dǎo)原理并通過光與透鏡的組合來進(jìn)行光信號(hào)的檢測(cè)。
[0010]進(jìn)一步的，電壓轉(zhuǎn)換模塊由運(yùn)算放大器、電阻與電容組成，并且通過調(diào)節(jié)以改變紅外光學(xué)傳感器的供電電壓，從而實(shí)現(xiàn)功率穩(wěn)定與控制調(diào)節(jié)。
[0011]進(jìn)一步的，作為紅外光學(xué)傳感器5V、12V和3.3V的3種工作電壓，5V與12V電壓由車輛供電系統(tǒng)直接提供，3.3V工作電壓則由12V電壓通過電壓轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換，為保證紅外光學(xué)傳感器的功率穩(wěn)定，選擇壓控電流源為紅外光學(xué)傳感器供電，為防止電壓突變等異常因素對(duì)紅外光學(xué)傳感器的二極管造成損害，作為紅外光學(xué)傳感器的保護(hù)電路，在壓控電流源前增加二極管與電容，取R1=R2=R3=R4時(shí)，壓控電流源工作電壓Vo與系統(tǒng)給定輸入電壓Vi之間存在:
Vo = Vi / R
通過調(diào)節(jié)R值以改變紅外光學(xué)傳感器供電電壓，從而實(shí)現(xiàn)功率穩(wěn)定與控制調(diào)節(jié)。
[0012]基于云處理車載移動(dòng)大氣顆粒污染物環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)，包括設(shè)置在車輛上的前端車載移動(dòng)PM2.5環(huán)境檢測(cè)器系統(tǒng)及設(shè)置在監(jiān)測(cè)站的后端云存儲(chǔ)與云處理系統(tǒng)；其中，所述前端車載移動(dòng)PM2.5環(huán)境檢測(cè)器系統(tǒng)包括以下部分:
氣路模塊，用于采集大氣顆粒物；
光電檢測(cè)模塊，作為檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源，將光的變化轉(zhuǎn)換成電量的變化；
前置放大器模塊，將接收到的電信號(hào)放大；
A/