CN108593552A - 一种移动污染源在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种移动污染源在线监测系统，包括信号采集模块、机动车车牌识别模块、机动车速度测量模块和服务器端，其特征在于：所述信号采集模块、机动车车牌识别模块和机动车速度测量模块通过3G/4G网络与服务器端，该设计操作简单，综合实用性强，易于推广使用。

Description

一种移动污染源在线监测系统

技术领域：

本发明涉及在线监测技术领域，具体涉及一种移动污染源在线监测系统。

背景技术：

移动污染源实质非固定位置，移动的污染源，如移动过程中排放废气的机动车等，城市中的超细颗粒物和VOCs主要来源于机动车等移动污染源排放的尾气。近年来，由于工业经济快速发展所带来的环境污染问题也相当严重，移动污染源超细颗粒物和VOCs造成的大范围雾霾时有发生，空气状况堪忧，超细颗粒物和VOCs不仅对人体健康具有严重的直接危害，同时作为PM2.5的重要前体物和光化学烟雾的主要成分，对复合大气污染的形成起着重要作用。近年来，无线传感网的快速兴起，使得其成为环境监测领域研究的热点。移动污染源在线监测系统具有低功耗，低成本，监测范围大，响应快速，实时性高，可实现对移动污染源的排放进行实时监测，并将监测结果通过浏览器展示，对环保部门进行环境监测和移动污染源超排治理有着重大的作用，具有广阔的市场前景和重要的现实意义。

发明内容：

现有技术难以满足人们的需要，为了解决上述存在的问题，本发明提出了一种移动污染源在线监测系统。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种移动污染源在线监测系统，包括信号采集模块、机动车车牌识别模块、机动车速度测量模块和服务器端，其特征在于：所述信号采集模块、机动车车牌识别模块和机动车速度测量模块通过3G/4G网络与服务器端。

优选的，所述信号采集模块包括电源管理模块、收发端和反射端，所述收发端通过固定槽固定在道路内部，且收发端内设有机动车速度测量模块，所述收发端正上方设有与收发端相匹配的反射端，所述反射端安装在路灯的一侧，所述路灯通过固定杆固定在道路路边。

优选的，所述收发端包括激光器模组、激光器控制模块、光路准直阵列单元、光路聚焦及滤光阵列单元、半导体光电探测器组、信号采集及处理装置。

进一步的，所述激光器控制模块控制所述激光器模组中的各激光器分别发出所需波长范围的检测光；所述激光器模组发出的多束检测光经过所述光路准直阵列单元准直形成平行光束并发射到所述光学反射镜单元；在开放式光路条件下，所述光学反射镜单元将穿过机动车尾气的激光检测光束反射至所述光路聚焦及滤光阵列单元进行聚焦和滤波处理，经所述聚焦及滤光阵列单元出射的检测光束经所述半导体光电探测器组探测接收并经所述信号采集及处理装置发送到所述服务器端，所述服务器端计算出开放式光路条件下机动车尾气中各组分浓度。

进一步的，所述光路准直阵列单元中准直透镜的个数、光路聚焦及滤光阵列单元中聚焦透镜及滤光片的个数、半导体光电探测器组中半导体光电探测器的个数均与所述激光器模组的激光器的个数相对应。

进一步的，所述激光器模组由若干个近红外可调谐激光器、中红外可调谐激光器和紫外光/可见光激光器组成，针对机动车尾气被检测物种选择激光器的类型及个数，每个被检测物种对应一个激光器。

进一步的，所述激光器控制模块包括温度控制电路和电流控制电路，所述温度控制电路控制所述激光器模组中各激光在环境温度-30～60℃范围内保持稳定工作温度，所述电流控制电路同时产生正弦电流和锯齿电流，正弦电流和锯齿电流分别叠加组成激光器驱动电流，驱动激光器模组中各激光器发出所需波长范围的检测光。

进一步的，所述光路准直阵列单元采用准直透镜阵列，每一激光器输出的光均通过相应的准直透镜进行准直，每一准直透镜分别采用AR镀膜非球面透镜；所述光路聚焦及滤光阵列单元包括聚焦透镜阵列和带通滤光片阵列，所述聚焦透镜阵列中的聚焦透镜均采用AR镀膜非球面聚焦镜，分别设置相应准直透镜的出光方向，所述带通滤光片阵列中的带通滤光片分别设置在相应半导体光电探测器的进光方向，所述带通滤光片滤除干扰光后将检测光聚焦在对应的半导体光电探测器上进行光谱测量。

进一步的，所述信号采集及处理装置采集所述半导体光电探测器组的探测数据并进行信号放大和均值滤波处理，然后进行锁相放大和二次谐波解调或者一次谐波解调，同时采集道路环境中温度和压力数据，并将最终得到的直接吸收光谱数据、气体物种的二次谐波谱、颗粒物物种的一次谐波谱及温度压力数据发送到所述服务器端。

优选的，所述电源管理模块的3.3V电压输出为信号采集模块和机动车速度测量模块供电；5V电压输出为3G/4G模块供电；12V电压输出为机动车车牌识别模块供电。

优选的，所述机动车车牌识别模块包括高速摄像机和车牌识别系统。

优选的，所述收发端的数量等于通过道路的车道，且收发端安装在车道中部，所述反射端的数量与收发端的数量一致。

优选的，所述的服务器端包括数据中心模块、数据库和Web服务器。

一种移动污染源在线监测系统的使用方法，其特征在于：

(1)先根据区域的分布，将相应的信号采集模块安装在相应的区域；

(2)将收发端安装在路灯正下方的道路内部，同时将与收发端相匹配的反射端安装在路灯上，同时根据道路的方向，将高速摄像机倾斜的安装在路灯上，且高速摄像机拍摄方向于汽车前进方向一致；

(3)当汽车路过道路下方的收发端时，由收发端将路过汽车的尾气进行检验采集并通过3G/4G网络模块传输至服务器端；

(4)与此同时收发端内的机动车速度测量模块感应汽车通过的瞬时车速，当汽车车尾通过机动车车速测量模块后，在通过计算的时间后，启动高速摄像机进行拍摄，(由于高速摄像机固定的安装在路灯上，所以高速摄像机的摄像区域L为固定值，而机动车车速测量模块能够测得汽车通过的瞬时车速，从而可以计算汽车尾部到达高速摄像机拍摄区域中部所用时间，控制高速摄像机进行拍照。)将拍摄照片传输至车牌识别系统内进行车牌识别，从而将收集的车牌信号传输至服务器端；

(5)通过服务器端将上述收集的信息进行统一收集处理，将相应车道经过的汽车车牌与该汽车尾气排放污染种类含量通过表格形式进行自动记录；

(6)通过JavaScript将解析后的数据进行遍历并通过document.createElement方法和insertRow与insertCell方法动态创建table添加元素以生成移动污染源数据报表。

在收发端安装在道路底部，能够有效的防止原有的横向检测时受其他汽车的干扰，导致数据的不准确性，大大增加了收发端与汽车尾气的接触距离，从而能更加有效及时且准确的测量汽车尾气排放后的各种物质的含量，利用机动车车速测量模块和机动车车牌识别模块相结合，从而能够更加准确的将机动车牌与其排放的尾气进行匹配，并且将其安装在路灯上，使装置更加容易安装，降低整体的成本。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明能够实时在线对移动污染源本体信息、超细颗粒物和VOCs等多种污染物排放信息以及实况气象数据进行监测；

本发明装置体积小，每个信号采集模块都能使用3G/4G无线通信的方式将采集结果发送至服务端数据中心，避免了利用采集基站统一发送，响应速度快，实时性高。

该设计操作简单，综合实用性强，易于推广使用。

附图说明：

图1为本发明的移动污染源在线监测系统整体结构图；

图2为本发明的高速摄像机侧视结构示意图；

图3为本发明的收发端和反射端整体结构示意图；

图4位本发明的收发端原理示意图；

图中：1-路灯、2-反射端、3-高速摄像机、4-收发端、5-路面、6-机动车速度测量模块、7-固定杆。

具体实施方式：

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

实施例1，一种移动污染源在线监测系统，包括信号采集模块、机动车车牌识别模块、机动车速度测量模块和服务器端，所述信号采集模块、机动车车牌识别模块和机动车速度测量模块通过3G/4G网络与服务器端。

所述信号采集模块包括电源管理模块、收发端和反射端，所述收发端通过固定槽固定在道路内部，且收发端内设有机动车速度测量模块，所述收发端正上方设有与收发端相匹配的反射端，所述反射端安装在路灯的一侧，所述路灯通过固定杆固定在道路路边。

所述收发端包括激光器模组、激光器控制模块、光路准直阵列单元、光路聚焦及滤光阵列单元、半导体光电探测器组、信号采集及处理装置。

所述激光器控制模块控制所述激光器模组中的各激光器分别发出所需波长范围的检测光；所述激光器模组发出的多束检测光经过所述光路准直阵列单元准直形成平行光束并发射到所述光学反射镜单元；在开放式光路条件下，所述光学反射镜单元将穿过机动车尾气的激光检测光束反射至所述光路聚焦及滤光阵列单元进行聚焦和滤波处理，经所述聚焦及滤光阵列单元出射的检测光束经所述半导体光电探测器组探测接收并经所述信号采集及处理装置发送到所述服务器端，所述服务器端计算出开放式光路条件下机动车尾气中各组分浓度。

所述光路准直阵列单元中准直透镜的个数、光路聚焦及滤光阵列单元中聚焦透镜及滤光片的个数、半导体光电探测器组中半导体光电探测器的个数均与所述激光器模组的激光器的个数相对应。

所述激光器模组由若干个近红外可调谐激光器、中红外可调谐激光器和紫外光/可见光激光器组成，针对机动车尾气被检测物种选择激光器的类型及个数，每个被检测物种对应一个激光器。

所述激光器控制模块包括温度控制电路和电流控制电路，所述温度控制电路控制所述激光器模组中各激光在环境温度-30～60℃范围内保持稳定工作温度，所述电流控制电路同时产生正弦电流和锯齿电流，正弦电流和锯齿电流分别叠加组成激光器驱动电流，驱动激光器模组中各激光器发出所需波长范围的检测光。

所述光路准直阵列单元采用准直透镜阵列，每一激光器输出的光均通过相应的准直透镜进行准直，每一准直透镜分别采用AR镀膜非球面透镜；所述光路聚焦及滤光阵列单元包括聚焦透镜阵列和带通滤光片阵列，所述聚焦透镜阵列中的聚焦透镜均采用AR镀膜非球面聚焦镜，分别设置相应准直透镜的出光方向，所述带通滤光片阵列中的带通滤光片分别设置在相应半导体光电探测器的进光方向，所述带通滤光片滤除干扰光后将检测光聚焦在对应的半导体光电探测器上进行光谱测量。

所述信号采集及处理装置采集所述半导体光电探测器组的探测数据并进行信号放大和均值滤波处理，然后进行锁相放大和二次谐波解调或者一次谐波解调，同时采集道路环境中温度和压力数据，并将最终得到的直接吸收光谱数据、气体物种的二次谐波谱、颗粒物物种的一次谐波谱及温度压力数据发送到所述服务器端。

所述电源管理模块的3.3V电压输出为信号采集模块和机动车速度测量模块供电；5V电压输出为3G/4G模块供电；12V电压输出为机动车车牌识别模块供电。

所述机动车车牌识别模块包括高速摄像机和车牌识别系统。

所述收发端的数量等于通过道路的车道，且收发端安装在车道中部，所述反射端的数量与收发端的数量一致。

所述的服务器端包括数据中心模块、数据库和Web服务器。

一种移动污染源在线监测系统的使用方法，其特征在于：

(1)先根据区域的分布，将相应的信号采集模块安装在相应的区域；

(2)将收发端安装在路灯正下方的道路内部，同时将与收发端相匹配的反射端安装在路灯上，同时根据道路的方向，将高速摄像机倾斜的安装在路灯上，且高速摄像机拍摄方向于汽车前进方向一致；

(3)当汽车路过道路下方的收发端时，由收发端将路过汽车的尾气进行检验采集并通过3G/4G网络模块传输至服务器端；

(4)与此同时收发端内的机动车速度测量模块感应汽车通过的瞬时车速，当汽车车尾通过机动车车速测量模块后，在通过计算的时间后，启动高速摄像机进行拍摄，(由于高速摄像机固定的安装在路灯上，所以高速摄像机的摄像区域L为固定值，而机动车车速测量模块能够测得汽车通过的瞬时车速，从而可以计算汽车尾部到达高速摄像机拍摄区域中部所用时间，控制高速摄像机进行拍照。)将拍摄照片传输至车牌识别系统内进行车牌识别，从而将收集的车牌信号传输至服务器端；

(5)通过服务器端将上述收集的信息进行统一收集处理，将相应车道经过的汽车车牌与该汽车尾气排放污染种类含量通过表格形式进行自动记录；

(6)通过JavaScript将解析后的数据进行遍历并通过document.createElement方法和insertRow与insertCell方法动态创建table添加元素以生成移动污染源数据报表。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种移动污染源在线监测系统，包括信号采集模块、机动车车牌识别模块、机动车速度测量模块和服务器端，其特征在于：所述信号采集模块、机动车车牌识别模块和机动车速度测量模块通过3G/4G网络模块与服务器端。

2.根据权利要求1所述的一种移动污染源在线监测系统，其特征在于：所述信号采集模块包括电源管理模块、收发端和反射端，所述收发端通过固定槽固定在道路内部，且收发端内设有机动车速度测量模块，所述收发端正上方设有与收发端相匹配的反射端，所述反射端安装在路灯的一侧，所述路灯通过固定杆固定在道路路边。

3.根据权利要求2所述的一种移动污染源在线监测系统，其特征在于：所述收发端包括激光器模组、激光器控制模块、光路准直阵列单元、光路聚焦及滤光阵列单元、半导体光电探测器组、信号采集及处理装置。

4.根据权利要求2所述的一种移动污染源在线监测系统，其特征在于：所述电源管理模块的3.3V电压输出为信号采集模块和机动车速度测量模块供电；5V电压输出为3G/4G模块供电；12V电压输出为机动车车牌识别模块供电。

5.根据权利要求1所述的一种移动污染源在线监测系统，其特征在于：所述机动车车牌识别模块包括高速摄像机和车牌识别系统。

6.根据权利要求1所述的一种移动污染源在线监测系统，其特征在于：所述收发端的数量等于通过道路的车道，且收发端安装在车道中部，所述反射端的数量与收发端的数量一致。

7.根据权利要求1所述的一种移动污染源在线监测系统，其特征在于：所述的服务器端包括数据中心模块、数据库和Web服务器。

8.一种根据权利要求1-7所述的一种移动污染源在线监测系统的使用方法，其特征在于：

(1)先根据区域的分布，将相应的信号采集模块安装在相应的区域；

(2)将收发端安装在路灯正下方的道路内部，同时将与收发端相匹配的反射端安装在路灯上，同时根据道路的方向，将高速摄像机倾斜的安装在路灯上，且高速摄像机拍摄方向于汽车前进方向一致；

(3)当汽车路过道路下方的收发端时，由收发端将路过汽车的尾气进行检验采集并通过3G/4G网络模块传输至服务器端；

(4)与此同时收发端内的机动车速度测量模块感应汽车通过的瞬时车速，当汽车车尾通过机动车车速测量模块后，在通过计算的时间后，启动高速摄像机进行拍摄，(由于高速摄像机固定的安装在路灯上，所以高速摄像机的摄像区域L为固定值，而机动车车速测量模块能够测得汽车通过的瞬时车速，从而可以计算汽车尾部到达高速摄像机拍摄区域中部所用时间，控制高速摄像机进行拍照。)将拍摄照片传输至车牌识别系统内进行车牌识别，从而将收集的车牌信号传输至服务器端；

(5)通过服务器端将上述收集的信息进行统一收集处理，将相应车道经过的汽车车牌与该汽车尾气排放污染种类含量通过表格形式进行自动记录；

(6)通过JavaScript将解析后的数据进行遍历并通过document.createElement方法和insertRow与insertCell方法动态创建table添加元素以生成移动污染源数据报表。