CN106840984A - 一种区域性的大气雾霾分布检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种区域性的大气雾霾分布检测系统，包括雾霾检测装置、数据接收器、云端服务器和用户终端，所述的数据接收器分别与雾霾检测装置、云端服务器连接，所述的云端服务器与用户终端连接；所述的雾霾检测装置是用来采集雾霾数据并通过GPRS发射到云端服务器；所述的数据接收器安装在云端服务器，用于接收雾霾检测装置发来的数据；所述的云端服务器解析ID码后把雾霾数据存入到相应字段，所述的用户终端用于对用户显示检测结果。与现有技术相比，本发明突破原来雾霾检测仪单点检测数据的局限性；实时的数据传输使获得的雾霾数据更有科学性和时效性。
Description
技术领域
本发明涉及一种大气雾霾分布检测系统，尤其是涉及一种区域性的大气雾霾分布检测系统。
背景技术
随着社会的发展，人们对空气质量的关心越来越强烈，在中国，有许多城市因为长期工业的发展，工业废料等化学试剂不正当的处理，导致这些城市笼罩在一片朦胧之下，而这些PM2.5颗粒对人的身体也有相当大的影响，因此人们越来越关注雾霾指数，就像关注天气预报一样，人们需要实时的检测来判断今日是否应采取“防护措施”，政府也需要关注雾霾指数来对城市进行整治，我们国家对于雾霾的重视程度也日益增长，很多地区尤其是重工业地区都对很多大型企业进行了整治，意在发展的同时也能保护好我们赖以生存的环境。因此如何进行大气雾霾有效检测成为需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种区域性的大气雾霾分布检测系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种区域性的大气雾霾分布检测系统，包括雾霾检测装置、数据接收器、云端服务器和用户终端，所述的数据接收器分别与雾霾检测装置、云端服务器连接，所述的云端服务器与用户终端连接；
所述的雾霾检测装置是用来采集雾霾数据并通过GPRS发射到云端服务器；所述的数据接收器接收器安装在云端服务器，用于接收雾霾检测装置发来的数据；所述的云端服务器解析ID码后把雾霾数据存入到相应字段，所述的用户终端用于对用户显示检测结果。
所述的雾霾检测装置包括微型处理器以及分别与微处理器连接的雾霾传感器、GPRS模块和LCD；
所述的雾霾传感器用于采集颗粒物浓度，所述的GPRS模块是无线数据传送模块，所述的微型处理器用于把雾霾传感器采集到数据作数据转换后通过GPRS模块把数据传送云端服务器，所述的LCD显示本检测点的雾霾数据和GPRS的通信状态。
每个所述的雾霾检测装置均有自己的ID识别码，该ID识别码用来标识雾霾检测装置身份以及检测的位置或点。
每个所述的雾霾检测装置采集到的数据实时传送到云端服务器作存储，把各个区域采集的数据都传送至云端服务器后，通过用户终端来显示整个区域的雾霾分布状况。
所述的数据接收器能接收GPRS或INTERNET信号，用于接收雾霾检测装置发来的数据。
所述的雾霾传感器为基于激光散射的数字式通用颗粒物浓度传感器，可连续进行采样单位体积内的空气中不同粒径的悬浮颗粒物个数，用于检测大气中PM1.0、PM2.5、PM10的颗粒物浓度。
所述的GPRS模块采用SIM900A模块；所述的微型处理器采用STM32F103芯片，其接收雾霾传感器发出的采集数据，对数据作提取和转换，附加ID识别码后，通过GPRS模块无线传送至云端服务器，同时微型处理器还把雾霾数据、设备信息和模块的运行状况通过LCD屏作本地显示。
每个所述的雾霾检测装置为一个检测点，检测点分布在区域范围内，检测点的分布密度视大气环境和雾霾的梯度而定。
所述的用户终端通过网络与云端服务器相连，所述的用户终端用于显示区域雾霾数据分布图、用不同颜色标注雾霾的浓度、不同时间段的雾霾数据比对分析、雾霾数据的动态变化监视。
所述的用户终端为PC计算机或智能手机，若用户终端为智能手机，该智能手机上设有APP，通过APP随时搜集到指定区域的雾霾数据信息，在手机的APP上指定具体位置或ID识别码，通过WiFi来访问云端服务器的相应的存储雾霾数据。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)本系统是一个大范围雾霾检测系统，着重观察雾霾的分布状况。应用云计算和大数据技术，不仅能更准确地反映区域内各处雾霾指数，而且为分析雾霾的动态变化提供依据。突破原来雾霾检测仪单点检测数据的局限性；实时的数据传输使获得的雾霾数据更有科学性和时效性。
2)设计了雾霾检测装置的单元，分布安装于区域的各检测点，用于搜集大气雾霾的数据，然后通过GPRS无线数据传送方式，把检测到实时数据送至云端服务器。用户终端通过访问云端服务器作处理在地图上显示各检测点雾霾数据，对雾霾状况的掌握全面、快速的特点。
3)系统实施方便，由于无线数据传送采用GPRS，只要有移动信号覆盖的区域都可以使用，不受距离限制，布点检测简单可靠。通过用户终端能大范围地了解雾霾的分布和变化，在手机端便可随时搜集到指定区域的雾霾数据信息，为制定决策和治理方案提供依据。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为雾霾检测装置的结构示意图；
图3为雾霾传感器的结构示意图；
图4为本发明系统的数据流向示意图。
其中1为雾霾检测装置，2为天线，3为数据接收器，4为云端服务器，5为用户终端，11为雾霾传感器，12为微处理器，13为GPRS模块，14为LCD。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
本发明是针对大的区域内雾霾分布状况的检测汇总，通过该区域的地图上来标注检测点数据来显示，雾霾检测点的数据是动态实时的检测，直观地反映出区域当前雾霾数据，雾霾的分布状况，为大气环流层引起雾霾移动趋势分析提供大数据。由于在大的区域内多点检测能很好地全面掌握雾霾的移动轨迹、雾霾的程度分布、产生的原因。为政府决策提供科学依据，
如图1所示，本检测系统包括雾霾检测装置1、数据接收器3、云端服务器4、用户终端5，其中数据接收器3为GPRS/INTERNET接收器。雾霾检测装置是用来采集雾霾数据并通过GPRS发射到云端服务器；GPRS/INTERNET接收器是安装在云端服务器，用于接收雾霾检测装置发来的数据。云端服务器解析ID码后把雾霾数据存入到相应字段。用户终端用于对用户显示检测结果。
如图2所示，雾霾检测装置包括雾霾传感器11、微型处理器12、GPRS模块13和LCD14，每个雾霾检测装置都有自己的ID识别码，ID识别码用来标识雾霾检测装置身份、检测的位置(点)。雾霾传感器用于采集颗粒物浓度，GPRS是无线数据传送模块，微型处理器用于把雾霾传感器采集到数据作数据转换后通过GPRS模块把数据传送云服务器，LCD显示本检测点的雾霾数据和GPRS的通信状态。采用GPRS模块使数据的传送距离不受限制，检测的范围大，区域广。每个雾霾检测装置采集到的数据实时传送到云端服务器作存储，把各个区域采集的数据都传送至云端服务器后，通过用户终端来显示整个区域的雾霾分布状况，
雾霾传感器是一款基于激光散射的数字式通用颗粒物浓度传感器，可连续进行采样单位体积内的空气中不同粒径的悬浮颗粒物个数，用于检测大气中PM1.0、PM2.5、PM10的颗粒物浓度。
GPRS模块使用SIM900A模块，是一种通过移动通信技术来传送数据，只要有移动通信网覆盖的区域都能接收和发射信息，使用该技术后把通信范围扩大到所有有移动通信区域都能收发信息。使雾霾实时分布检测的范围可延伸到省、市、国家，而通讯的成本低。
微型处理器是STM32F103，接收雾霾传感器发出的采集数据，对数据作提取和转换，附加ID识别码后，通过GPRS模块无线传送至云端服务器。微型处理器还把雾霾数据、设备信息和模块的运行状况通过LCD屏作本地显示。STM32是当今嵌入式应用的主流，它领导了一批高性能、低成本、低功耗的产品问世。随着我国工业、科技的逐年发展，带来经济迅速上升的同时，也严重污染了生活环境，影响了空气质量。其中令当下引起前所未有的重视则是雾霾。雾霾是对大气中各种悬浮颗粒物含量超标的笼统表述，尤其是PM2.5(空气动力学当量直径小于等于2.5微米的颗粒物)被认为是造成雾霾天气的“元凶。大气雾霾监测系统利用雾霾检测器和GPRS传导，将所在地雾霾情况实时监测传输给手机APP终端，手机接收之后将数据整合显示给使用者，达到雾霾监测和提前应对恶劣天气的作用。
每个雾霾检测装置为一个检测点，检测点分布在区域范围内，检测点的分布密度视大气环境和雾霾的梯度而定，本系统设计的检测点数量达万点。本系统是检测分布的，必须有多个检测点来组成，检测点越多，准确性就越高；检测的范围越大，雾霾的变化趋势就越清楚。
用户终端通过网络与云端服务器相连，用户终端用于显示区域雾霾数据分布图、用不同颜色标注雾霾的浓度、不同时间段的雾霾数据比对分析、雾霾数据的动态变化监视
手机安装APP的软件后，手机端便可随时搜集到指定区域的雾霾数据信息。在手机的APP上指定具体位置或ID识别码，通过WiFi来访问云端服务器的相应的存储雾霾数据。
本发明MCU(STM32)是整个系统网络的核心。本系统由整个系统大致由四个步骤依次完成：
(1)利用攀藤科技G1PM2.5传感器采用激光散射原理，精确测量PM2.5浓度，并且功率较小，符合实际测量需求。
(2)由雾霾传感器检测到的数据通过USART串口1传输给STM32-f103进行数据处理，这时数据会在系统版显示器上显示。
(3)STM32处理过的数据通过串口2传输给GPRS模块，此时GPRS模块会通过无线电波将数据传输给电脑服务器(此过程需要蜂窝网络，中国在低空领域蜂窝网络基本覆盖，因此可以正常使用)。
(4)服务器接收到数据将原始十六进制数据转化成十进制，进而主要进行下面三个模块：
①发布雾霾数据让使用者得知当日雾霾指数，并显示所在地各安置点雾霾区域的浓度指数绘图；
②处理雾霾数据并将数据拓展，传递更多有用的信息；
③在雾霾数据偏高的区域寻找污染源并提醒有关部门进行治理整治。
本产品最重要的就是最后数据的真实性和时效性，那么如何进行数据的传输就是本系统的一大关键，具体的数据流向如图4所示。
由雾霾检测器检测出的数据是以十六进制进行传输，通过串口1传输到MCU上面，此时仍保持十六进制数据，将数据进行“封装”、“打包”由串口2传输到GPRS模块中，此时可以通过AT指令调节数据传输的大小，即传输时高功耗，不传输时低功耗，这样可以达到电量最优使用的效果。随后，收到打包数据的GPRS模块会通过无线电波及蜂窝数据的协助来将数据传输给服务器，此时服务器收到的数据为原始十六进制数据，收到数据的服务器会根据指定程序语言将十六进制数据进行“拆封”，并进一步转化为十进制的数据进行优化和可视化显示。
关于雾霾检测系统的关键部分设计：
CPU的选取
在实验室阶段采用现成的MiniSTM32系统板，完成基本实验后会自己设计主板，并将各功能模块集中在主板上。MiniSTM32开发板上内容十分丰富，而且都有相应的标注，十分适合做系统版，有很强的开发空间：MiniSTM32开发板载有目前比较通用的液晶显示模块接口，还有其比较有特色的兼容性接口；与此同时，开发板板载了NRF24L01无线模块的接口。该接口用来连接NRF24L01等2.4G无线模块，从而实现开发板与其他设备的无线数据传输(注意：NRF24L01不能和蓝牙/WIFI连接)。NRF24L01无线模块的最大传输速度可以达到2Mbps，传输距离最大可以到30米左右(空旷地，无干扰)。有了这个接口，我们的雾霾传感器数据的发送将更加快捷方便。下一步就是选取芯片，在选取芯片时既许满足实时计算、传输的性能需求，又要权衡功耗，尽量减少电池使用。故选择STM32F103系列芯片。
传感器模块
关于雾霾传感器的选取，我们尤为慎重，在经过一系列的对比和资料的整理，最终选取PMS5003作为监测雾霾数据的传感器。PMS5003是一款基于激光散射原理的数字式通用颗粒物浓度传感器，可连续采集并计算单位体积内空气中不同粒径的悬浮颗粒物个数，即颗粒物浓度分布，进而换算成为质量浓度，并以通用数字接口形式输出。本传感器可嵌入各种与空气中悬浮颗粒物浓度相关的仪器仪表或环境改善设备，为其提供及时准确的浓度数据。
GPRS模块
想到利用GRPS进行数据传输也是考虑到了数据需要时效、快捷、无损地传导到电脑客户端进行数据处理，由于GPRS可提供高达115kb的传输速率，因此GPRS模块通过无线电波进行数据的传导很大程度的上保证了数据的时效性和真实性。利用GPRS也同样可以保证数据“永远在线”，他可以保证网络的顺畅运行，而选用SIM900A GPRS模块主要是保证远距离传输的需要，SIM900A是紧凑型、高可靠性的无线模块，采用SMT封装的双频GSM/GPRS模块解决方案，采用功能强大的处理器ARM9216EJ-S内核，能满足低成本、紧凑尺寸的开发要求。这也正符合了我们设计的价格低廉但小巧实用的特性。
数据的处理系统
在电脑接收到雾霾信号时，实时存入SQLite轻型数据库并对其进行可视化处理。
(1)根据《环境空气质量指数(AQI)技术规定》，分别用绿色，黄色，橙色，红色，紫色，褐色，褐红色表示空气优，良，轻度污染，中度污染，重度污染及严重污染。
(2)由于空气污染物扩散模型需要大量数据作为支撑，本系统暂时无法做到，只能实时显示雾霾数据。
(3)显示各观测点过去24小时、7天及30天雾霾浓度柱状图。
(4)结合学校地图，制作便于观察的雾霾显示图，方便查看。
(5)将以上图标以图片格式输出，便于在学院公众号上展示。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种区域性的大气雾霾分布检测系统，其特征在于，包括雾霾检测装置、数据接收器、云端服务器和用户终端，所述的数据接收器分别与雾霾检测装置、云端服务器连接，所述的云端服务器与用户终端连接；
所述的雾霾检测装置是用来采集雾霾数据并通过GPRS发射到云端服务器；所述的数据接收器接收器安装在云端服务器，用于接收雾霾检测装置发来的数据；所述的云端服务器解析ID码后把雾霾数据存入到相应字段，所述的用户终端用于对用户显示检测结果。
2.根据权利要求1所述的一种区域性的大气雾霾分布检测系统，其特征在于，所述的雾霾检测装置包括微型处理器以及分别与微处理器连接的雾霾传感器、GPRS模块和LCD；
所述的雾霾传感器用于采集颗粒物浓度，所述的GPRS模块是无线数据传送模块，所述的微型处理器用于把雾霾传感器采集到数据作数据转换后通过GPRS模块把数据传送云端服务器，所述的LCD显示本检测点的雾霾数据和GPRS的通信状态。
3.根据权利要求1所述的一种区域性的大气雾霾分布检测系统，其特征在于，每个所述的雾霾检测装置均有自己的ID识别码，该ID识别码用来标识雾霾检测装置身份以及检测的位置或点。
4.根据权利要求1所述的一种区域性的大气雾霾分布检测系统，其特征在于，每个所述的雾霾检测装置采集到的数据实时传送到云端服务器作存储，把各个区域采集的数据都传送至云端服务器后，通过用户终端来显示整个区域的雾霾分布状况。
5.根据权利要求1所述的一种区域性的大气雾霾分布检测系统，其特征在于，所述的数据接收器能接收GPRS或INTERNET信号，用于接收雾霾检测装置发来的数据。
6.根据权利要求2所述的一种区域性的大气雾霾分布检测系统，其特征在于，所述的雾霾传感器为基于激光散射的数字式通用颗粒物浓度传感器，可连续进行采样单位体积内的空气中不同粒径的悬浮颗粒物个数，用于检测大气中PM1.0、PM2.5、PM10的颗粒物浓度。
7.根据权利要求2所述的一种区域性的大气雾霾分布检测系统，其特征在于，所述的GPRS模块采用SIM900A模块；所述的微型处理器采用STM32F103芯片，其接收雾霾传感器发出的采集数据，对数据作提取和转换，附加ID识别码后，通过GPRS模块无线传送至云端服务器，同时微型处理器还把雾霾数据、设备信息和模块的运行状况通过LCD屏作本地显示。
8.根据权利要求1所述的一种区域性的大气雾霾分布检测系统，其特征在于，每个所述的雾霾检测装置为一个检测点，检测点分布在区域范围内，检测点的分布密度视大气环境和雾霾的梯度而定。
9.根据权利要求1所述的一种区域性的大气雾霾分布检测系统，其特征在于，所述的用户终端通过网络与云端服务器相连，所述的用户终端用于显示区域雾霾数据分布图、用不同颜色标注雾霾的浓度、不同时间段的雾霾数据比对分析、雾霾数据的动态变化监视。
10.根据权利要求1所述的一种区域性的大气雾霾分布检测系统，其特征在于，所述的用户终端为PC计算机或智能手机，若用户终端为智能手机，该智能手机上设有APP，通过APP随时搜集到指定区域的雾霾数据信息，在手机的APP上指定具体位置或ID识别码，通过WiFi来访问云端服务器的相应的存储雾霾数据。
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