CN105300862B - 基于云处理车载移动大气颗粒污染物的环境检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于云处理车载移动大气颗粒污染物的环境检测方法及系统，针对城市区域PM2.5的检测，主要涉及前端车载检测器设备与后端云处理平台，前端大气颗粒物检测设备使用红外光散射法来进行大气颗粒物数据的检测，通过红外光传感器来采集PM2.5大气颗粒物数据，传感器通道利用红外光散射法来获取颗粒浓度，采集空气的通道有固定的加热源，通过加热源来进行空气颗粒物的动态采集，通过光电信号的转换，将大气颗粒浓度信息转换成相应PWM波形数据，再进行数据的汇集处理与数据拟合，测出的PM2.5大气颗粒物数据最后存入后端云存储与处理数据库，后台进行海量数据的存储与数据处理，通过无线通信网络进行大气数据的实时发布。

Description

基于云处理车载移动大气颗粒污染物的环境检测方法及系统

技术领域

本发明涉及大气环境检测技术领域，尤其涉及一种基于云处理平台的车载移动PM2.5大气颗粒污染物的环境检测方法及系统。

背景技术

研究适合于车载移动的PM2.5环境监测器与云计算技术，配合城市现有PM2.5监测站，及时、准确并全面地反映大气质量及趋势，为环保、污染源监控、城市规划等提供科学的依据，结合工业布局、城市交通、人口等元素，进行系统研究，密切监控城市大气质量并起到积极的技术支撑作用。

悬浮在空气中的液态与固态颗粒状物质统称为大气颗粒物。各种颗粒物分散在空气中构成了一个相对稳定的悬浮体系，通常按照粒径把大气颗粒物分为：总悬浮颗粒物TSP、粗粒子PM10和细粒子PM2.5。粒径大小是影响大气颗粒物危害性的重要因素，细粒子PM2.5直径相当于人类头发的十分之一，颗粒物空气动力学粒径大小决定其进入呼吸道和在呼吸道内的滞留。细粒子PM2.5被吸入人体后会直接进入支气管，干扰肺部正常工作，引发包括哮喘、支气管炎等方面的多类疾病。Mie的散射理论指出：包括细粒子在内的微小颗粒受到光线照射时，如果光波长所在的数量级与颗粒直径相当，则光能主要以光散射的形式衰减。Mie 散射具备以下三大光学特征：1）散射光强度分布随着角度的变化而变化。当入射光波长远小于粒子直径时，散射光光强分布复杂。2）随颗粒物直径增大，前向散射光子数相对增加，后向散射光子数则相对减少。3）当颗粒物直径远大于散射光波时，则主要发生光线的衍射，此时波长和粒子直径对散射光的影响很小。基于Mie散射的思路，细颗粒物受光照后会发出散射光信号，接收到的散射光与颗粒物浓度呈现一种线性关系，通过该原理可计算出大气颗粒物浓度。目前城市区域350米以下基本都有颗粒污染物存在，我国城市尤其是大城市污染程度严重，由于工业信息化程度仍处于较低水平，城市公众对于PM2.5的污染关注度不断提升，使得城市区域PM2.5的监测显得日益重要。

现有采用光散射法的PM2.5环境监测器依据微粒Mie散射理论进行制造。其工作原理是通过光束检测大气颗粒物尺寸，大气颗粒物尺寸数量级等于或大于光的波长时，便会产生光能衰减，其表现形式主要是光的散射，该类监测器主要包括光源、透镜、反光镜、光电探测器、信号放大器与电信号分析电路等组成部分。当大气颗粒物受光线照射并发生光线散射现象时，光电探测器利用反光镜聚焦透镜的方式，通过捕获散射光以完成光电信号转化，随后将获取的光电信号通过前置放大与噪声滤波等实时处理后，在电信号分析电路中进行脉冲发生量计算。由于脉冲与大气颗粒物相对浓度成正比，系统每接收到一次脉冲信号就表示检测器接收一个散射光。通过在相同大气环境下多组测量后收集的大气数据，利用数据拟合技术计算并获取PM2.5环境监测器测出的大气颗粒物数据。目前我国PM2.5环境监测器生产企业大都采用光学方法设计与制造PM2.5检测器，在设计中通过利用射线动态加热系统技术以减少检测误差。在使用中采用锂电池给检测系统供电，由于锂电池自身体积较大、成本、重量、充电等客观因素，现有PM2.5环境检测器并不适合车载移动使用。通过国内市场调查发现：现有环境监测后台数据库仍主要基于传统关系数据库系统，难以适应日益增长的海量数据存储、大规模数据分析与应用的需求。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种基于云处理车载移动大气颗粒污染物的环境检测方法及系统，针对城市区域PM2.5的检测，发明一种基于云处理平台的车载PM2.5环境检测方法，主要涉及前端车载检测器设备与后端云处理平台，采用低价、可移动的PM2.5环境监测器辅助传统环境监测站的工作方式，可以形成数据的有效互补，以便掌握城市区域大气中全面、真实的细粒子PM2.5数据。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

基于云处理车载移动大气颗粒污染物的环境检测方法，包括以下步骤：

（1）前端车载移动PM2.5环境检测器部署步骤：所述环境检测器安装在城市公交车辆顶部位置，采集5米以下的大气颗粒物浓度信息，车辆电源对环境检测器进行供电；

（2）前端车载移动PM2.5环境检测器数据检测步骤：包括气路模块、光电检测模块、前置放大器模块、A/D 转换模块、数据采集与处理模块、电压转换模块、CPU处理器以及GPRS无线数据传输模块部分；气路模块采集大气颗粒物PM2.5，光电检测模块进行数据采集，将光的变化转换成电量的变化，获取PM2.5颗粒浓度数据，输出电信号，电信号经过前置放大器放大后传输给A/D 转换模块，再由数据采集与处理模块将数据传输给CPU处理器，由CPU处理器进行PM2.5颗粒物检测，最终通过GPRS无线数据传输模块进行检测数据的传输，电压转换模块在检测的同时向光电检测模块、前置放大器以及A/D 转换模块提供电压；其中，大气颗粒物PM2.5的计算步骤如下：

a、经过光电检测模块的大气颗粒物检测，检测数据形成反映颗粒物粒径的PWM波形，低电平波形宽度为10 ~ 90微秒，利用PWM波形获取相关参数，通过计算低电平的占空比，从而获取对应数值，T表示30秒内低电平累积时间，L表示通道的低电平脉冲占空比，存在：L= (T/30)×100，采用P表示测试的采样值，

b、当获取到的L < 0.08，则：

P = 0.1×L×100×10 （微克/立方米） ；

当0.08≤ L < 0.15，则：

P = （（（L×100–8）/6.5 + 0.8））×10 （微克/立方米）；

c、将光电检测模块其中1个通道设置为检测1微米以上的粒子值P1，另1个通道设置为检测2.5微米以上的粒子值P2，通过采集两个通道的采样值，采用下式计算最终的颗粒物PM2.5采样值PL：

PL = P1 - P2

最终计算出大气中粒子直径小于或等于2.5微米的颗粒物含量；

（3）进行后端云存储与云处理步骤：包括接入服务器模块、处理服务器集群、存储服务器集群及网络服务器模块部分；经过GPRS无线数据传输模块进行数据的接收，数据经处理服务器集群进行计算、处理，处理的数据存储在存储服务器集群、最终通过网络服务器模块进行实时发布。

进一步的，所述光电检测模块包括红外光学传感器和外围电路。

进一步的，所述红外光学传感器由红外光源发射部分、加热器、散射光收集部分以及透镜四部分组成。

进一步的，红外光学传感器内置加热器，上升气流使传感器外部空气进入传感器内部，传感器内部的空气经过检测通道，利用光线传导原理并通过光与透镜的组合来进行光信号的检测。

进一步的，电压转换模块由运算放大器、电阻与电容组成，并且通过调节以改变红外光学传感器的供电电压，从而实现功率稳定与控制调节。

进一步的，作为红外光学传感器5V、 12V和3.3V 的3种工作电压，5V与 12V电压由车辆供电系统直接提供，3.3V工作电压则由12V电压通过电压转换模块转换，为保证红外光学传感器的功率稳定，选择压控电流源为红外光学传感器供电，为防止电压突变对红外光学传感器的二极管造成损害，作为红外光学传感器的保护电路，在压控电流源前增加二极管与电容，取R1=R2=R3=R4时，压控电流源工作电压Vo与系统给定输入电压Vi之间存在：

Vo = Vi / R

通过调节R值以改变红外光学传感器供电电压，从而实现功率稳定与控制调节。

基于云处理车载移动大气颗粒污染物环境检测系统，包括设置在车辆上的前端车载移动PM2.5环境检测器系统及设置在监测站的后端云存储与云处理系统；其中，所述前端车载移动PM2.5环境检测器系统包括以下部分：

气路模块，用于采集大气颗粒物；

光电检测模块，作为检测系统的数据源，将光的变化转换成电量的变化；

前置放大器模块，将接收到的电信号放大；

A/D 转换模块、数据采集与处理模块以及CPU处理器，电信号经过前置放大器放大后传输给A/D 转换模块，再由数据采集与处理模块将数据传输给CPU处理器，由CPU处理器进行PM2.5颗粒物检测；

GPRS无线数据传输模块，对检测数据进行无线传输；

电压转换模块，电压转换模块在检测的同时向光电检测模块、前置放大器以及A/D转换模块提供电压，并进行转换；

所述后端云存储与云处理系统包括以下部分：

接入服务器模块、处理服务器集群、存储服务器集群及网络服务器模块部分；经过GPRS无线数据传输模块进行数据的接收，数据经处理服务器集群进行计算、处理，处理的数据存储在存储服务器集群、最终通过网络服务器模块进行实时发布。

本发明的有益效果是：针对城市区域PM2.5的检测，发明一种基于云处理车载移动大气颗粒污染物的环境检测方法，主要涉及前端车载检测器设备与后端云处理平台，前端大气颗粒物检测设备使用红外光散射法来进行大气颗粒物数据的检测，通过红外光学传感器来采集PM2.5大气颗粒物数据，传感器通道利用红外光散射法来获取颗粒浓度，采集空气的通道有固定的加热源，通过加热源来进行空气颗粒物的动态采集，通过光电信号的转换，将大气颗粒浓度信息转换成相应PWM波形数据，再进行数据的汇集处理与数据拟合，测出的PM2.5大气颗粒物数据最后存入后端云存储与处理数据库，在后台进行海量数据的存储与数据处理，并通过无线通信网络进行大气数据的实时发布，由于本发明不需要专用锂电池供电，车载PM2.5环境检测器设备体积更为小巧、部署方式更加灵活、成本更加低廉，而且通过车载方式进行部署，在城市公交车辆的不同运行区间布局并有效使用PM2.5环境检测器，能够全面地掌握城市不同区域大气状况，并可以获得不同气候条件下、不同时间段的PM2.5实时监测数据。

附图说明

图1为本发明前端车载PM2.5环境检测器原理框图。

图2为本发明红外光学传感器的原理结构图。

图3为本发明红外光学传感器的采样图。

图4为本发明红外光传感器发光二极管的供电电路。

其中：1为红外光源发射，2为加热器，3为散射光收集，4为透镜。

具体实施方式

为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。

实施例：参照附图1-4所示的一种基于云处理车载移动大气颗粒污染物的环境检测方法，包括以下步骤：

（1）前端车载移动PM2.5环境检测器部署步骤：所述环境检测器安装在城市公交车辆顶部位置，采集距离地面高度约2.7~3米左右大气颗粒物浓度信息，根据车辆实际情况来选择安装在车辆顶部的具体部位，车辆电源对环境检测器进行供电，由于不需要专用锂电池供电，车载PM2.5环境检测器设备体积更为小巧、部署方式更加灵活、成本更加低廉，而且由于通过车载方式进行部署，在城市公交车辆的不同运行区间布局并有效使用PM2.5环境检测器，能够全面地掌握城市不同区域大气状况，并可以获得不同气候条件下、不同时间段的PM2.5 实时监测数据；

（2）前端车载移动PM2.5环境检测器数据检测步骤：包括气路模块、光电检测模块、前置放大器模块、A/D 转换模块、数据采集与处理模块、电压转换模块、CPU处理器以及GPRS无线数据传输模块部分；气路模块采集大气颗粒物PM2.5，光电检测模块进行数据采集，将光的变化转换成电量的变化，获取PM2.5颗粒浓度数据，输出电信号，电信号经过前置放大器放大后传输给A/D 转换模块，再由数据采集与处理模块将数据传输给CPU处理器，由CPU处理器进行PM2.5颗粒物检测，最终通过GPRS无线数据传输模块进行检测数据的传输，电压转换模块在检测的同时向光电检测模块、前置放大器以及A/D 转换模块提供电压；其中，所述光电检测模块包括红外光学传感器和外围电路，散射光收集和光源发射是光敏感区，所述红外光学传感器由红外光源1发射部分、加热器2、散射光收集3部分以及透镜4四部分组成，红外光学传感器内置加热器2，检测时，红外光源1发射，上升气流使传感器外部空气进入传感器内部，传感器内部的空气经过检测通道，利用光线传导原理并通过光与透镜4的组合来进行光信号的检测，依据光线传导的理论：入射光波长越长，散射光能量分布越集中且光散射角越小，相应光强信号强则观察数据越清晰、光电转换的电信号则越强，最终数据测量则越接近实际值，可见光中红光到紫光范围，红光的波长最长，因而本颗粒物PM2.5检测采用可见光的红光波段；红外光传感器具备自动吸入空气、粒子计数、PWM脉宽调制输出等特点，可检测直径1微米以上的颗粒物粒子，具有重量轻、小尺寸和易安装使用的优点；电压转换模块由运算放大器、电阻与电容组成，并且通过调节以改变红外光学传感器的供电电压，从而实现功率稳定与控制调节；大气颗粒物PM2.5的计算步骤如下：

a、经过光电检测模块的大气颗粒物检测，检测数据形成反映颗粒物粒径的PWM波形，低电平波形宽度为10 ~ 90微秒，利用PWM波形获取相关参数，通过计算低电平的占空比，从而获取对应数值，T表示30秒内低电平累积时间，L表示通道的低电平脉冲占空比，存在：L= (T/30)×100，采用P表示测试的采样值，

b、当获取到的L < 0.08，则：

P = 0.1×L×100×10 （微克/立方米） ；

当0.08≤ L < 0.15，则：

P = （（（L×100–8）/6.5 + 0.8））×10 （微克/立方米）；

c、将光电检测模块其中1个通道设置为检测1微米以上的粒子值P1，另1个通道设置为检测2.5微米以上的粒子值P2，通过采集两个通道的采样值，采用下式计算最终的颗粒物PM2.5采样值PL：

PL = P1 - P2

最终计算出大气中粒子直径小于或等于2.5微米的颗粒物含量；

（3）进行后端云存储与云处理步骤：包括接入服务器模块、处理服务器集群、存储服务器集群及网络服务器模块部分；经过GPRS无线数据传输模块进行数据的接收，数据经处理服务器集群进行计算、处理，处理的数据存储在存储服务器集群、最终通过网络服务器模块进行实时发布；部署在公交车辆上的前端移动PM2.5检测器会产生海量的大气颗粒物数据，以城市公交车辆共计部署1000个计算，按检测点每5秒种上报一次数据进行统计，一天的数据量就达到近2亿条，从数量的分析与统计角度，较为长期地保存以往数据也是必要的，传统的关系数据库无法支撑如此多的海量数据，必须使用基于云的存储与处理数据库，后端PM2.5处理服务器集群是接收前端PM2.5数据采集的数据监测应用系统，处理服务器集群的功能与构架上，处理服务器集群由以下主要部分组成：大气颗粒物数据入库，历史PM2.5数据存储，数据查询分析应用，大气数据发布；依托云存储平台以及云处理平台，使得系统信息的综合调度和数据处理可以完美地满足超大规模用户访问、海量多类数据存储以及远距离数据传输的要求。

进一步的，作为红外光学传感器5V、 12V和3.3V 的3种工作电压，5V与 12V电压由车辆供电系统直接提供，3.3V工作电压则由12V电压通过电压转换模块转换，为保证红外光学传感器的功率稳定，选择压控电流源为红外光学传感器供电，为防止电压突变对红外光学传感器的二极管造成损害，作为红外光学传感器的保护电路，在压控电流源前增加二极管与电容，取R1=R2=R3=R4时，压控电流源工作电压Vo与系统给定输入电压Vi之间存在：

Vo = Vi / R

通过调节R值以改变红外光学传感器供电电压，从而实现功率稳定与控制调节。

总体布局：本发明基于云处理平台的车载PM2.5环境检测系统结合先进的红外激光传感器、低功耗单片机、无线网络通信技术、云存储与云处理技术，既可以提供便捷、实时的大气数据查询，又可以直接通过网络浏览器访问数据库的大气颗粒物数据，前端车载PM2.5环境检测器采集到大气颗粒物信息，通过GPRS进行无线数据的传输，然后在公网IP服务器上进行数据接收与实时处理，数据存入后台云数据库进行采集、计算、存储、分析，并通过网络服务器对用户进行数据的实时发布。

数据通信方式

前端车载PM2.5环境检测器设备的通信通过GPRS方式进行大气数据的无线传输。基于TCP/IP协议与GPRS的数据传输，然后再通由移动网络传输，并利用公网服务器接受数据，来自于前端设备的大气颗粒物数据最终进入后台云存储与处理数据库，在后台云数据库中进行数据的处理与数据拟合，并由网络服务器将大气数据展现出来。需要说明的是:前端车载PM2.5环境检测器设备需要有供应商的SIM卡进行数据通信，并且SIM卡需要有GPRS业务。

基于云处理车载移动大气颗粒污染物环境检测系统，包括设置在车辆上的前端车载移动PM2.5环境检测器系统及设置在监测站的后端云存储与云处理系统；其中，所述前端车载移动PM2.5环境检测器系统包括以下部分：

气路模块，用于采集大气颗粒物；

光电检测模块，作为检测系统的数据源，将光的变化转换成电量的变化；

前置放大器模块，将接收到的电信号放大；

A/D 转换模块、数据采集与处理模块以及CPU处理器，电信号经过前置放大器放大后传输给A/D 转换模块，再由数据采集与处理模块将数据传输给CPU处理器，由CPU处理器进行PM2.5颗粒物检测；

GPRS无线数据传输模块，对检测数据进行无线传输；

电压转换模块，电压转换模块在检测的同时向光电检测模块、前置放大器以及A/D转换模块提供电压，并进行转换；

所述后端云存储与云处理系统包括以下部分：

接入服务器模块、处理服务器集群、存储服务器集群及网络服务器模块部分；经过GPRS无线数据传输模块进行数据的接收，数据经处理服务器集群进行计算、处理，处理的数据存储在存储服务器集群、最终通过网络服务器模块进行实时发布。

Claims (2)

1.基于云处理车载移动大气颗粒污染物的环境检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）前端车载移动PM2.5环境检测器部署步骤：通过环境检测器安装在城市公交车辆顶部位置，采集5米以下的大气颗粒物浓度信息，车辆电源对环境检测器进行供电；

（2）前端车载移动PM2.5环境检测器数据检测步骤：包括气路模块、光电检测模块、前置放大器模块、A/D 转换模块、数据采集与处理模块、电压转换模块、CPU处理器以及GPRS无线数据传输模块部分；气路模块采集大气颗粒物PM2.5，光电检测模块进行数据采集，将光的变化转换成电量的变化，获取PM2.5颗粒浓度数据，输出电信号，电信号经过前置放大器放大后传输给A/D 转换模块，再由数据采集与处理模块将数据传输给CPU处理器，由CPU处理器进行PM2.5颗粒物检测，最终通过GPRS无线数据传输模块进行检测数据的传输，电压转换模块用于在检测的同时向光电检测模块、前置放大器以及A/D 转换模块提供电压；其中，所述光电检测模块包括红外光学传感器和外围电路，所述红外光学传感器由红外光源发射部分、加热器、散射光收集部分以及透镜四部分组成；红外光学传感器内置加热器，上升气流使传感器外部空气进入传感器内部，传感器内部的空气经过检测通道，利用光线传导原理并通过光与透镜的组合来进行光信号的检测；电压转换模块由运算放大器、电阻与电容组成，并且通过调节以改变红外光学传感器的供电电压，从而实现功率稳定与控制调节；作为红外光学传感器5V、 12V和3.3V 的3种工作电压，5V与 12V电压由车辆供电系统直接提供，3.3V工作电压则由12V电压通过电压转换模块转换，为保证红外光学传感器的功率稳定，选择压控电流源为红外光学传感器供电，为防止电压突变对红外光学传感器的二极管造成损害，作为红外光学传感器的保护电路，在压控电流源前增加二极管与电容，取R1=R2=R3=R4时，压控电流源工作电压Vo与系统给定输入电压Vi之间存在：

Vo = Vi / R

通过调节R值以改变红外光学传感器供电电压，从而实现功率稳定与控制调节；

大气颗粒物PM2.5的计算步骤如下：

a、经过光电检测模块的大气颗粒物检测，检测数据形成反映颗粒物粒径的PWM波形，低电平波形宽度为10 ~ 90微秒，利用PWM波形获取相关参数，通过计算低电平的占空比，从而获取对应数值，T表示30秒内低电平累积时间，L表示通道的低电平脉冲占空比，存在：L=(T/30)×100，采用P表示测试的采样值，

b、当获取到的L < 0.08，则：

P = 0.1×L×100×10 （微克/立方米） ；

当0.08≤ L < 0.15，则：

P = （（（L×100–8）/6.5 + 0.8））×10 （微克/立方米）；

c、将光电检测模块其中1个通道设置为检测1微米以上的粒子值P1，另1个通道设置为检测2.5微米以上的粒子值P2，通过采集两个通道的采样值，采用下式计算最终的颗粒物PM2.5采样值PL：

PL = P1 - P2

最终计算出大气中粒子直径小于或等于2.5微米的颗粒物含量；

（3）进行后端云存储与云处理步骤：包括接入服务器模块、处理服务器集群、存储服务器集群及网络服务器模块部分；经过GPRS无线数据传输模块进行数据的接收，数据经处理服务器集群进行计算、处理，处理的数据存储在存储服务器集群、最终通过网络服务器模块进行实时发布。

2.基于云处理车载移动大气颗粒污染物的环境检测系统，其特征在于：包括设置在车辆上的前端车载移动PM2.5环境检测器系统及设置在监测站的后端云存储与云处理系统；其中，所述前端车载移动PM2.5环境检测器系统包括以下部分：

气路模块，用于采集大气颗粒物；

光电检测模块，作为检测系统的数据源，将光的变化转换成电量的变化；

前置放大器模块，将接收到的电信号放大；

A/D 转换模块、数据采集与处理模块以及CPU处理器，电信号经过前置放大器放大后传输给A/D 转换模块，再由数据采集与处理模块将数据传输给CPU处理器，由CPU处理器进行PM2.5颗粒物检测；

GPRS无线数据传输模块，对检测数据进行无线传输；

电压转换模块，电压转换模块在检测的同时向光电检测模块、前置放大器以及A/D 转换模块提供电压，并进行转换；

所述后端云存储与云处理系统包括以下部分：

接入服务器模块、处理服务器集群、存储服务器集群及网络服务器模块部分；经过GPRS无线数据传输模块进行数据的接收，数据经处理服务器集群进行计算、处理，处理的数据存储在存储服务器集群、最终通过网络服务器模块进行实时发布。