CN111122668A - 一种自动校准的空气质量监测装置及其监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自动校准的空气质量监测装置及其监测方法，属于空气监测技术领域。它包括有PM2.5/10测量模块、SO2测量模块、NO2测量模块、CO测量模块和O3测量模块，实现各参数的测量，其中SO2测量模块、NO2测量模块、CO测量模块和O3测量模块采用ZE12电化学气体测量模块，PM2.5/10测量模块采用激光衍射原理的粉尘测量模块；由空气质量电化学模块、MCU、温湿度传感器、PM空气测量模块、无线传输模块、EEPROM存储器、数据平台、数据计算、数据下发等功能模块组成，通过设置参考测点、并结合标准空气站的数据分析方法，实现了一种自动校准的空气监测装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种自动校准的空气质量监测装置及其监测方法，属于空气监测技术领域。
背景技术
传统标准空气站的功能是对存在于大气、空气中的污染物质进行定点、连续或者定时的采样、测量和分析。为了对空气进行监测，一般在一个环保重点城市设立若干个空气站，站内安装多参数自动监测仪器作连续自动监测，将监测结果实时存储并加以分析后得到相关的数据。空气质量监测站是空气质量控制和对空气质量进行合理评估的基础平台，是一个城市空气环境保护的基础设施。
目前在按照标准规范要求，对于国家标准空气监测站的性能指标、连续性均有一定的要求，因而系统的复杂度大，硬件成本、实施成本均较大等，难以实现全面覆盖和快速实施。因此该类型的监测系统多应用国家、省级的监测站点。
传统国标监测站等“专业级”的监测系统因价格太过昂贵（单套仪器设备及建设成本超过100万以上），不利于批量推广、网格化布设。因此，目前市场对低成本、安装维护简单、适合批量化、网格化的监测产品需求逐渐增加。
因此，近年来，通过网格化监测系统可以将采集到的数据和现有的标准站监测站点进行叠加、对比分析和校准，二者结合，生成时空动态趋势图从而获取全区高密度高频度的大气颗粒物浓度监测数据，运用基于后台数据分析统，进行监测数据的筛查、校准、统计分析和动态图绘制，实现全区大气颗粒物浓度的时空动态变化趋势分析，进而判断污染来源，追溯污染物扩散趋势，对污染源起到最大程度的监管作用，为环境执法和决策提供数据、分析依据。
但由于测量原理的差异，网格化空气监测产品在实际应用时，能反应出空气质量的变化趋势，但测量误差也存在一定的差异性，且传统标定方式工序复杂，效果不一，难以达到工程应用的要求。
综上所述，需要一种在解决了空气质量监测设备成本、体积、安装维护的基础上，对于网格化空气监测监测产品提出一种能自动、有效的校准装置和方法，解决现有的问题和不足。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：（1）实现一种监测装置，对常规空气质量参数的测量；（2）实现一种自动校准功能的系统和装置。
为解决上述技术问题，本发明采用的以下技术方案。
一种自动校准的空气质量监测装置，它包括有PM2.5/10测量模块、SO2测量模块、NO2测量模块、CO测量模块和O3测量模块，实现各参数的测量，其中 SO2测量模块、NO2测量模块、CO测量模块和O3测量模块采用ZE12电化学气体测量模块，PM2.5/10测量模块采用激光衍射原理的粉尘测量模块；
PM2.5/10测量模块用于实现空气中粉尘测量的模块；
SO2测量模块用于测量大气中二氧化硫浓度的模块；
NO2测量模块用于测量大气中二氧化氮浓度的模块；
CO测量模块用于测量大气中一氧化碳浓度的模块；
O3测量模块用于测量大气中臭氧浓度的模块；
PM2.5/10测量模块、SO2测量模块、NO2测量模块、CO测量模块和O3测量模块与微型控制器连接。
进一步的，本监测装置设计有GPRS模块、EEPROM存储器，GPRS模块和EEPROM存储器与微型控制器连接，并实现数的交互通信、校准系数的存储功能；
GPRS模块实现监测设备数据上传、平台配置参数下发的功能；
微型控制器完成数据采集、接口配置、与平台数据交互控制、数据存储控制、校准计算工作；
EEPROM存储器实现校准数据、设备信息的存储功能。
进一步的，单个监测装置的内部结构为：PM2.5/10测量模块、SO2测量模块、NO2测量模块、CO测量模块、O3测量模块、GPRS模块、EEPROM存储器与微型控制器；
在国控站的100m范围内，安装一台参考监测装置，用于校准系数的获取来源；
远端平台接收参考监测装置的采集数据，同时获取国控站的实时数据，连续对多天的数据各个测量参数进行均值计算，每个参数的均值差值就是修正系数；
此系数由远端平台计算得到，在得到系数后，再下发给附近范围内其他的监测装置；
监测装置得到修正系数后，存储各自内部的EEPROM中，后续采集测量值后，根据修正系数进行对应的加减修正，提升测量模块的长期稳定性。
一种自动校准的空气质量监测装置的监测方法，该方法的步骤如下：
A、硬件电路上，各个气体模块功能的实现方式是PM2.5/10测量模块、SO2测量模块、NO2测量模块、CO测量模块和O3测量模块测量模块的通信接口，接入到微型控制器的GPIO端口上，而其电源端口接入到DC5V上；
B、GPRS模块的电源接在DC5V上，通信端口接在微型控制器的UART1上；
C、EEPROM存储器的电源接在DC3.3V上，接口则接在微型控制器IIC端口上；
D、单台监测装置的工作流程是：
上电初始化，主要操作是配置IO的端口状态，并启动功能模块：启动测量模块、启动GPRS模块；
获取配置信息，即将设备EEPROM存储器中配置有定时工作间隔、默认或上一组校准数据的信息获取到，并配置于各外设和寄存器中；
进行数据采集，分别采集PM2.5/10测量模块、SO2测量模块、NO2测量模块、CO测量模块和O3测量模块的数据，按照各自协议读取对应信息；
待GPRS模块与平台连接成功后，进行采集数据的校准并上传，同时上传历史备份数据；若GPRS模块本次未成功连接至平台，则微型控制器则进行数据备份，待下次传输；
采集上传数据结束后，微型控制器则接受平台下发的最新配置信息和校准数据，并存储于EEPROM存储器中，待下次工作时使用；
以上工作完成后，进行休眠待机状态，降低功耗，直到下次工作唤醒；
E、对于校准系统的应用，在系统部署时，除安装正常的测点监测装置外，还要再国控站的100m范围内安装参考测点，用于与国控站数据的对比；
F、平台进行修正系数获取时的方法是：安装于就近国控站的样本其一周内各参数的测量均值可由原始数据得到，同时就近国控站的国控数据的周均值亦可得到，其两均值差值即为修正参数，并将此修正系数下发于同区域的监测点，各测点的测量数据采用修正参数直接加减运算；
G、修正系数下发，分为使用对比设备修正系数、平台手动录入两种，其实使用对比设备修正系数则需要在设置时关联设备；手动录入则是通过人工方式，将修正系数写入并通过平台下发。
本发明的有益效果：
综上所述，由空气质量电化学模块、MCU、温湿度传感器、PM空气测量模块、无线传输模块、EEPROM存储器、数据平台、数据计算、数据下发等功能模块组成，通过设置参考测点、并结合标准空气站的数据分析方法，实现了一种自动校准的空气监测装置。
附图说明
图1为本发明空气质量监测装置的功能框图；
图2 为本发明未校准前PM10数据对比示意图；
图3 为本发明未校准前SO2数据对比示意图；
图4 为本发明未校准前NO2数据对比示意图；
图5 为本发明校准后PM10数据对比示意图；
图6为本发明 校准后SO2数据对比示意图；
图7 为本发明校准后NO2数据对比示意图；
图8 为本发明各测量模块电路设计图示意图；
图9 为本发明监测装置工作流程图示意图；
图10 为本发明平台下发修正系数工作流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述：
一种自动校准的空气质量监测装置，它包括有PM2.5/10测量模块5、SO2测量模块2、NO2测量模块3、CO测量模块1和O3测量模块4，实现各参数的测量，其中 SO2测量模块2、NO2测量模块3、CO测量模块(1)和O3测量模块4采用ZE12电化学气体测量模块，PM2.5/10测量模块5采用激光衍射原理的粉尘测量模块；
PM2.5/10测量模块5用于实现空气中粉尘测量的模块；
SO2测量模块2用于测量大气中二氧化硫浓度的模块；
NO2测量模块3用于测量大气中二氧化氮浓度的模块；
CO测量模块1 用于测量大气中一氧化碳浓度的模块；
O3测量模块4用于测量大气中臭氧浓度的模块；
PM2.5/10测量模块5、SO2测量模块2、NO2测量模块3、CO测量模块(1)和O3测量模块4与微型控制器6连接。
本监测装置设计有GPRS模块7、EEPROM存储器8，GPRS模块7和EEPROM存储器8与微型控制器6连接，并实现数的交互通信、校准系数的存储功能；
GPRS模块7实现监测设备数据上传、平台配置参数下发的功能；
微型控制器6完成数据采集、接口配置、与平台数据交互控制、数据存储控制、校准计算工作；
EEPROM存储器8实现校准数据、设备信息的存储功能。
单个监测装置11、12、13的内部结构为：PM2.5/10测量模块5、SO2测量模块2、NO2测量模块3、CO测量模块1、O3测量模块4、GPRS模块7、EEPROM存储器8与微型控制器6；
在国控站9的100m范围内，安装一台参考监测装置，用于校准系数的获取来源；
参考监测装置与单个监测装置11、12、13的内部结构相同。
远端平台10接收参考监测装置的采集数据，同时获取国控站9的实时数据，连续对多天的数据各个测量参数进行均值计算，每个参数的均值差值就是修正系数；
此系数由远端平台10计算得到，在得到系数后，再下发给附近范围内其他的监测装置11、12、13；
监测装置11、12、13得到修正系数后，存储各自内部的EEPROM8中，后续采集测量值后，根据修正系数进行对应的加减修正，提升测量模块的长期稳定性。
一种自动校准的空气质量监测装置的监测方法，该方法的步骤如下：
A、硬件电路上，各个气体模块功能的实现方式是PM2.5/10测量模块5、SO2测量模块2、NO2测量模块3、CO测量模块1和O3测量模块4测量模块的通信接口，接入到微型控制器6的GPIO端口上，而其电源端口接入到DC5V上；
B、GPRS模块7的电源接在DC5V上，通信端口接在微型控制器6的UART1上；
C、EEPROM存储器8的电源接在DC3.3V上，接口则接在微型控制器6IIC端口上；
D、单台监测装置的工作流程是：
上电初始化，主要操作是配置IO的端口状态，并启动功能模块：启动测量模块、启动GPRS模块；
获取配置信息，即将设备EEPROM存储器8中配置有定时工作间隔、默认或上一组校准数据的信息获取到，并配置于各外设和寄存器中；
进行数据采集，分别采集PM2.5/10测量模块5、SO2测量模块2、NO2测量模块3、CO测量模块1和O3测量模块4的数据，按照各自协议读取对应信息；
待GPRS模块7与远端平台10连接成功后，进行采集数据的校准并上传，同时上传历史备份数据；若GPRS模块7本次未成功连接至平台，则微型控制器6则进行数据备份，待下次传输；
采集上传数据结束后，微型控制器6则接受平台下发的最新配置信息和校准数据，并存储于EEPROM存储器8中，待下次工作时使用；
以上工作完成后，进行休眠待机状态，降低功耗，直到下次工作唤醒；
E、对于校准系统的应用，在系统部署时，除安装正常的测点监测装置11、12、13外，还要再国控站9的100m范围内安装参考测点，用于与国控站数据的对比；
F、平台进行修正系数获取时的方法是：安装于就近国控站的样本其一周内各参数的测量均值可由原始数据得到，同时就近国控站的国控数据的周均值亦可得到，其两均值差值即为修正参数，并将此修正系数下发于同区域的监测点，各测点的测量数据采用修正参数直接加减运算；
G、修正系数下发，分为使用对比设备修正系数、平台手动录入两种，其实使用对比设备修正系数则需要在设置时关联设备；手动录入则是通过人工方式，将修正系数写入并通过平台下发。
空气质量测量模块是实现各参数气体的测量功能。采用的是ZE12型电化学模组模，利用电化学原理对空气中存在的CO、SO2、NO2、O3等气体进行探测，具有良好的选择性，稳定性。内置温度传感器，可进行温度补偿；同时具有数字输出与模拟电压输出，方便使用。
其功能为测量空气中悬浮物浓度，采用ZH03B模组，其是采用激光衍射原理，对空气中存在的粉尘颗粒物进行检测，具有良好的一致性、稳定性，具有串口输出。其测量量程为0~1000ug/m³，最小分辨颗粒直径为0.3μm。工作电流为120mA，待机电流为20mA，工作电压为5V。
打开系统控制模块电源开关，此时无线模块自动获取无线网络地址，并进行数据通信，控制模块可自动对无线网络数据进行管理、采集、存储。通过在无线管理端可设置控制模块的实时时钟、采集间隔、采集方式等参数，启动后，监测模块自动监测仪可实现空气参数的自动测量、无线传输功能。
某监测节点（非参考装置）自动校准前，测量数据与国控站的数据对比如图2所示，整体趋势一致，但绝对值存在一定的固定差值，即曲线上下平移。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (4)
1.一种自动校准的空气质量监测装置，其特征在于：它包括有PM2.5/10测量模块（5）、SO2测量模块（2）、NO2测量模块（3）、CO测量模块(1)和O3测量模块（4），实现各参数的测量，其中 SO2测量模块（2）、NO2测量模块（3）、CO测量模块(1)和O3测量模块（4）采用ZE12电化学气体测量模块，PM2.5/10测量模块（5）采用激光衍射原理的粉尘测量模块；
PM2.5/10测量模块（5）用于实现空气中粉尘测量的模块；
SO2测量模块（2）用于测量大气中二氧化硫浓度的模块；
NO2测量模块（3）用于测量大气中二氧化氮浓度的模块；
CO测量模块(1) 用于测量大气中一氧化碳浓度的模块；
O3测量模块（4）用于测量大气中臭氧浓度的模块；
PM2.5/10测量模块（5）、SO2测量模块（2）、NO2测量模块（3）、CO测量模块(1)和O3测量模块（4）与微型控制器（6）连接。
2.根据权利要求1所述的自动校准的空气质量监测装置，其特征在于：本监测装置设计有GPRS模块（7）、EEPROM存储器（8），GPRS模块（7）和EEPROM存储器（8）与微型控制器（6）连接，并实现数的交互通信、校准系数的存储功能；
GPRS模块（7）实现监测设备数据上传、平台配置参数下发的功能；
微型控制器（6）完成数据采集、接口配置、与平台数据交互控制、数据存储控制、校准计算工作；
EEPROM存储器（8）实现校准数据、设备信息的存储功能。
3.根据权利要求1所述的自动校准的空气质量监测装置，其特征在于：单个监测装置（11、12、13）的内部结构为：PM2.5/10测量模块（5）、SO2测量模块（2）、NO2测量模块（3）、CO测量模块(1)、O3测量模块（4）、GPRS模块（7）、EEPROM存储器（8）与微型控制器（6）；
在国控站（9）的100m范围内，安装一台参考监测装置，用于校准系数的获取来源；
远端平台（10）接收参考监测装置的采集数据，同时获取国控站（9）的实时数据，连续对多天的数据各个测量参数进行均值计算，每个参数的均值差值就是修正系数；
此系数由远端平台（10）计算得到，在得到系数后，再下发给附近范围内其他的监测装置（11、12、13）；
监测装置（11、12、13）得到修正系数后，存储各自内部的EEPROM（8）中，后续采集测量值后，根据修正系数进行对应的加减修正，提升测量模块的长期稳定性。
4.一种如权利要求1-4所述的自动校准的空气质量监测装置的监测方法，该方法的步骤如下：
A、硬件电路上，各个气体模块功能的实现方式是PM2.5/10测量模块（5）、SO2测量模块（2）、NO2测量模块（3）、CO测量模块(1)和O3测量模块（4）测量模块的通信接口，接入到微型控制器（6）的GPIO端口上，而其电源端口接入到DC5V上；
B、GPRS模块（7）的电源接在DC5V上，通信端口接在微型控制器（6）的UART1上；
C、EEPROM存储器（8）的电源接在DC3.3V上，接口则接在微型控制器（6）IIC端口上；
D、单台监测装置的工作流程是：
上电初始化，主要操作是配置IO的端口状态，并启动功能模块：启动测量模块、启动GPRS模块；
获取配置信息，即将设备EEPROM存储器（8）中配置有定时工作间隔、默认或上一组校准数据的信息获取到，并配置于各外设和寄存器中；
进行数据采集，分别采集PM2.5/10测量模块（5）、SO2测量模块（2）、NO2测量模块（3）、CO测量模块(1)和O3测量模块（4）的数据，按照各自协议读取对应信息；
待GPRS模块（7）与远端平台（10）连接成功后，进行采集数据的校准并上传，同时上传历史备份数据；若GPRS模块（7）本次未成功连接至平台，则微型控制器（6）则进行数据备份，待下次传输；
采集上传数据结束后，微型控制器（6）则接受平台下发的最新配置信息和校准数据，并存储于EEPROM存储器（8）中，待下次工作时使用；
以上工作完成后，进行休眠待机状态，降低功耗，直到下次工作唤醒；
E、对于校准系统的应用，在系统部署时，除安装正常的测点监测装置（11、12、13）外，还要再国控站（9）的100m范围内安装参考测点，用于与国控站数据的对比；
F、平台进行修正系数获取时的方法是：安装于就近国控站的样本其一周内各参数的测量均值可由原始数据得到，同时就近国控站的国控数据的周均值亦可得到，其两均值差值即为修正参数，并将此修正系数下发于同区域的监测点，各测点的测量数据采用修正参数直接加减运算；
G、修正系数下发，分为使用对比设备修正系数、平台手动录入两种，其实使用对比设备修正系数则需要在设置时关联设备；手动录入则是通过人工方式，将修正系数写入并通过平台下发。
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