CN103913405A - 一种基于车联网的细颗粒物浓度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于车联网的检测空气中细颗粒物（PM2.5）浓度的系统和方法，系统主要由车载硬件检测单元、云服务器应用程序和车载（或客户端）应用程序（APP）组成(如摘要附图所示)，系统的运行原理是通过车载硬件检测单元对空气的PM2.5进行浓度检测，将检测的数据通过有线或无线传输方式发送到云服务器端，其上的应用程序利用收集到的大量数据分析并形成车联网覆盖范围内任意物理坐标上、某一时点的PM2.5浓度指标，并根据用户需求将信息推送到车载应用端或其他客户端应用程序。

Description

一种基于车联网的细颗粒物浓度检测方法

技术领域

本发明涉及一种测定空气中的细颗粒物（PM2.5）数浓度和质量浓度的系统和方法，通过结合车联网通讯能力和云服务器的大数据运算能力，测量并计算车联网覆盖区域PM2.5中的数量浓度和质量浓度，适用于环保、科研、车辆控制以及个人进行空气质量的监测和研究需求。检测的数据不仅可让使用者了解周边空气质量状况，从而进行有效防护和规避空气污染的伤害作用，还对于光化学污染、灰霾形成机理，空气质量模式等科研业务工作必不可少，是以解决国家和人民的迫切需求为目的技术发明，具有很高的实用价值。 

背景技术

空气中的颗粒物可引起哮喘、肺癌、心血管疾病、残疾儿、过早死亡等疾患。其中，PM2.5可穿透肺的气体交换器官，引起脉管炎、动脉硬化、心脏病等多种疾病，是危害更大的可吸入颗粒物。当前国家层面已经下大决心治理环境空气质量问题，明确提出要与雾霾等污染宣战，并相应修订和引发了《环境空气质量标准》、《大气污染防治行动计划》。但必须清醒认识到，改善环境空气质量是一项艰巨的、复杂的、长期的、系统的工程，需要全社会的共同努力。 

要控制首先要检测，因此改善空气质量的首先任务就是需要让环境监管部门、全体大众掌握空气质量数据，做到全民知晓、全民监督、全民防控，才能最终控制和规避空气污染带来的危害。但要做到这一点，我们就需要掌握网格更密，监控半径更小的空气质量状况。但是环保业务部门和科研使用的PM2.5检测仪价格昂贵，体积巨大，维护不便，且多为固定位置铺设，以我国目前的财力，并不足以大面积布设，很难做到广泛覆盖，随时维护。利用车联网技术将环境监测动态化，广度化无疑是更为经济、更为可行的路径。 

目前市场上虽然已有环境检测车投入使用，但其基本上是静止于某地采集样本，并将数据回传，这就需要专门配制监管人员，增加维护成本，因此也并不利于大面积布设。同时，市场上也有报道车载PM2.5测试产品，但其并不基于车联网技术，并受其成本和检测原理限制，测量数值非常不准，给使用者带来误导。因此，市场上急需一种能够在车辆上普遍安装，能够动态采集PM2.5样本的检测仪，并能够根据车辆的行驶速度、地理空间等条件校准数值的后台支持系统。 

目前市场销售和被业务研究部门认可的PM2.5的检测方法有四种，即光散射法，β射线法，膜称重法和振荡天平法。四种方法各自有缺点，而光散射法可以现场直接显示浓度，且其体积小、重量轻、反应快、操作简便、噪声低、稳定性好，适于公共场所、生产现场等场合和空气质量监测使用，因此本发明选用的PM2.5测量原理为公知的光散射法。光散射法是通过测量颗粒物受光照射后所发出的散射光信号的大小来测量颗粒物的质量浓度。该法是利用Mie 散射理论及颗粒物的各参量来反演颗粒物的数量和质量浓度的。但光的散射与颗粒物浓度间的关系受到颗粒物的化学组成、形状、比重、粒径分布等诸多因素的影响，因此光散射和颗粒物浓度之间的定量关系随时都可能改变，这就需要不断地用标准方法进行校正。如果采用光散射法，辅助相应的动态校准方法，将使数据时间分辨率得到很大的提高，可以获得分钟水平的监测数据。同时精度大大提高，检出限和精度理论上最高能接近真实值的90%以上，而现场校准需要使用较大型昂贵的设备，对于车载或者个人使用者也是不可行的，因此本发明利用远程校准法提高其精度，即现场使用基于光散射法的传感器进行测量，利用车载终端的计算和通讯能力，通过网络获取由区域实验中心服务器提供的业务科研级标准PM2.5检测仪实时测量产生校准参数，在车载检测终端对现场外置检测单元测得的原始数据进行校准计算后得到精确地PM2.5浓度的方法，由此可以得到一套经济、便捷、准确的PM2.5实时在线检测系统，其精度取决于PM2.5在一定区域内的分布均匀程度，可以通过增加区域内的标准方法校准点提高本系统的精确度。 

发明内容

本发明公开一种基于车联网系统的车载式测定空气中PM2.5浓度的系统和方法，系统主要由车载外置硬件检测单元、车联网系统，以及安装于智能手机的应用程序（APP）组成。车载外置检测单元使用公知的激光散射法测量PM2.5的浓度，其检测原理是通过外置检测单元内的采样泵抽入的空气样品，经进气口进入测光室，测光室内有激光照射，粒子经激光照射后产生空间漫反射，在与激光器成一定夹角方向上安有光电检测器接收到该漫反射光并转换成相应的电信号，该信号经过信号转化处理，通过有线或无线（蓝牙，红外，wifi等）通讯，将信号传输到智能手机的应用程序中，程序经过计算处理，得到粒子质量浓度。但光的散射与颗粒物浓度间的关系受到颗粒物的化学组成、形状、比重、粒径分布等诸多因素的影响，因此光散射和颗粒物浓度之间的定量关系随时都可能改变，这就需要不断地用标准方法进行校正。在本设计中，采用了车载终端（包括外置检测仪与智能手机）作为数据采集和接收平台，通过车联网远程服务器作为校准和分析仪器，由车载终端收集即时的PM2.5数据，同时在远程服务器上通过区域内的通过标准方法测量到的粒子动态校准值对采集数据进行计算和校准，并结合GIS系统形成图像化和数值化的结果，供给政府、气象部门、环境研究单位使用。同时数据也可反馈到本地的智能手机上，供给个人随时掌握周边相应的PM2.5信息。 

本发明的有益效果体现在：空气质量与群众生活紧密相关，目前我国大部分城市PM2.5超标较严重，政府难以及时监测PM2.5及其它大气环境污染物的分布及浓度情况，同时群众也缺乏有效防护和规避危害的指导。从目前政府采用的环境手段看，一方面是固定监测站点相对稀少，由于PM2.5（及其它环境污染物）的监测仪器造价相对昂贵，且需要专人照看维护，很难做到广泛布局；另一方面环境监测车本身昂贵且功能复杂，对于PM2.5等特殊大气污染物的监测，单次出车成本高昂，也无法经常性进行采样。而从个人市面上个人使用的PM2.5检测仪看，有效的非常昂贵，个人很难承受，而经济型的普遍测量误差太大，对使用者形成误导，同时不便操作和携带，也大大限制了群众及时了解所处环境空气质量状况的需求。本发明提供一种基于车联网系统的、相对经济、便捷且保证高精度的PM2.5测试系统，不仅适用于政府、气象、环保等部门进行连续、广泛的PM2.5等环境污染物的监测和分析，也可用于个人对周围环境进行精确的PM2.5测量，并大大降低了业务运行成本，可更广泛的布点得到更有代表性的数据。 

如图1所示，系统主要由车载外置硬件检测单元、安装于智能手机的应用程序（APP）和联网的中心服务器组成，车载的外置检测单元使用公知的激光散射法测量PM2.5的浓度，外置检测单元自带锂电池作为电源，也可自由移动至任何地点，其检测原理是通过外置检测单元内的采样泵抽入的空气样品，经进气口进入测光室，测光室内有激光照射，粒子经激光照射后产生空间漫反射，在与激光器成一定夹角方向上安有光电检测器接收到该漫反射光并转换成相应的电信号，该信号经过信号转化处理，通过有线或无线（按使用距离不同可选择usb连线，蓝牙，红外，wifi等）通讯传输，将信号传输至车联网系统中，车联网系统得到原始数据后，通过服务器端存储有区域实验中心经过业务科研级标准方法PM2.5检测仪实时测量产生的校准参数，对原始数据进行校准计算。同时结合GIS系统，在电脑客户端形成图像化的显示，指示区域范围内的PM2.5（或其它大气环境监测物）的分布情况及具体数值，如果数值超过一定限度，会自动显示报警，从而为区域大气环境应急提供一套可以即时反馈的系统。与此同时，使用端的手机程序也会得到校准后的PM2.5（及其它环境监测物）精确数据使车内智能手机的使用者也能及时获取精确的浓度，以及相关的信息。 

 附图说明：图1是基于车联网的PM2.5检测系统的拓扑结构图。 

Claims (5)

1.一种测定空气中细颗粒物（PM2.5）的系统，其特征在于该系统包括车载检测单元，安装于云服务端的本发明应用程序和车载（或客户端）的应用程序。

2.如权利要求1所述测定空气中PM2.5的系统，其特征在于，车载检测单元利用公知的激光散射原理对PM2.5进行数量浓度的检测，并实时（或定时）将检测信号以及车辆的行驶速度和坐标信息通过无线（包括蓝牙，gprs，wifi等）通讯方式发送到云服务端。

3.如权利要求1所述测定空气中PM2.5的系统，其特征在于，云服务器端的应用程序可以通过无线接口（蓝牙，gprs，或wifi等）实时（或定时）接收车载检测单元的信号，并对数据进行加工处理，形成车联网覆盖范围内的任意坐标任意时刻的PM2.5浓度信息。

4.如权利要求1所述测定空气中PM2.5的系统，其特征在于，云服务器端的应用程序可以通过有线（如内部网络）或无线接口（蓝牙，gprs，或wifi等）将形成的PM2.5数据实时（或定时）推送到车载（或客户端）端应用系统。

5.如权利要求1所述测定空气中PM2.5的系统，其特征在于，车载（或客户端）端应用系统能够实时（或定时）连接云服务器接收云服务器端的PM2.5浓度和质量数据。