網格化在線監測系統

KLR-W01 

一、       前言

國家對于環境空氣質量監控，傳統采用的是固定站+便攜式的模式。由于價格昂貴導致鋪設的站點非常的稀松，基本城市多也就是每個區一個站點，每個市另外配備5套便攜式設備。已北京市為例，已經算全國監測設備貴，站點設置密集的城市。長期在線監測的站房總共是24個，備用站房是12個。采用的檢測方法大多數都是紅外、紫外、化學發光法等，建站費用將近100萬/站點，維護費用高達10萬/年，平均每3天就要進行人工校準所浪費的人力就無法估算了。即便如此，能覆蓋到的地方也是微乎其微，平均每個站點能監測到的也多不過直徑2公里以內的氣體污染情況，如此計算下來24個站點也就多覆蓋了48公里的監測范圍。并且每個站點的參數都是標準6參數。按照國家頒布的要求，網格化監測部署HJ 664—2013標準，的是每500米-4公里設立一個小型監測探頭。北京市總共16410.54平方公里，單按一個站點覆蓋2公里計算那么都需要8205臺儀器。對于工業城市污染特征氣體、無組織排放氣體（如垃圾填埋場的VOC、惡臭等）監測不足。發布的時效性較差，都是檢測后人工整理數據后再發布。數據真實性無法追溯，因為數據從儀器導出后的數據是可進行人工修改的。對于國家環保執行標準無人監管，導致數據是否超標無能力過問。

構建地理信息系統的空氣環境質量監測、預警、預報平臺。實現網格化、大面積聯防聯控，大氣污染溯源通量解析。搭建工業園區環境安全一體化監控平臺。促進環境污染大數據監測。需要低成本、小型化多參數的在線環境空氣質量監測儀作為現有國控點的補充。需要結合云計算，為管理部門和公眾提供實時的環境空氣質量發布服務。需要結合大數據，推演無監測點的數據及預測數據。需要結合大數據，分析工廠排污特征，實現在線遠程監管污染偷排。

二、       應用領域

1.    城市環境監測：

城市空氣環境質量評測系統、垃圾填埋、垃圾場監測、氣象站配套監測、家庭空氣質量監測。

2.    工業及廠界監測：

工業園區廠界監測、工業廠區常規排放有毒氣體監測、發電廠、油田、石化廠、礦業、廢舊垃圾再加廠區監控、污水處理廠、點源污染監測、機場、港口、在建建筑工地。

3.    其他空間監測：

林業環境評價監測、農業臭氧殺蟲、消毒監測、養殖場飼養環境監測、實驗室分析、坑道、下水道、管道等檢測。

三、       檢測依據

1.    GB 3095 大氣環境質量標準

四、       系統概述

城市空氣污染氣象條件監測分析系統由多臺在線環境質量監測終端、大數據云平臺服務軟件以及用戶終端APP三部分組成。該系統主要設備可在居民區、公路邊、大型商圈、工業園區等位置成網狀鋪設。通過對大氣污染物以及環境氣象條件的實時監測，同時結合大數據與云計算等新技術，大氣污染過程的模擬分析，實現區域內污染物轉移預測，進一步實現環境空氣質量的總體形勢預報。

圖：系統應用框圖

五、       系統主要特點

1、 功能完善：單臺空氣質量監測終即可實現對環境空氣中的常規有害氣體的監測，主要包括SO₂、NO₂、CO、O₃、PM_2.5、PM10、氣象五參數；（氣象五參數、太陽能板、通訊SIM卡為非標配）

2、 低成本：單臺終端的成本不到環境空氣質量自動監測站的10%；

3、 高：氣體部分檢測達到ppb級，PM_2.5檢測達到0.001ug/m-³  

4、 供電靈活：太陽能與AC220V市電自由切換；

5、 實時：通過GPRS等網絡和軟件平臺，實現用戶終端實時將數據顯示；

6、 準確定位：內置雙模GPS+北斗定位系統，準確可靠定位數據來源；

7、 運維簡易：該終端結構設計合理，可靠性高，安裝維護方便；

六、       在線空氣質量監測終端的組成及原理

該終端由氣體監測部分、氣象條件監測部分、粉塵監測部分、數據通信部分、電源五部分組成。

圖：在線環境質量監測儀結構組成圖

氣體部分可實時在線監測空氣中的SO₂、NO₂、CO、O₃濃度，達到ppb級

氣象部分可監測環境中的風速、風向、溫度、濕度、大氣壓力共五個參數的變化；

粉塵部分用于監測環境當中的可吸入顆粒物PM2.5（PM10等可擴展）的實時濃度；

數據通信部分由通信模塊DTU、GSM、及INTERNET網絡組成，實現數據和服務器之間的實時通訊。

電源部分采用了較大功率的太陽能電池板，以及大容量的儲能設備，可實現不間斷工作。

圖：在線環境質量監測終端實物圖

七、       各部分檢測參數與方法：

1.    氣體監測部分：

1.    氣體檢測部分工作原理

本儀器采用高靈敏度電化學傳感器原理，結合單片機技術和網絡通訊技術，可以連續監測大氣中的SO2、NO2、O3、CO、H2S、NH3、HF氣體，按需要顯示需要的測量數據。首先由抽氣泵將環境空氣通過過濾器，經流量調節器后分別以300ml/min的流量送到傳感器氣室，通過傳感器時所產生的信號經放大、A/D轉換后，由微處理器進行采集、計算、數據處理，產生濃度結果數據，同時保存數據結果或通過RS485串行接口送至信息中心。

對于空氣中微量氣體的檢測，不同氣體之間的交叉干擾尤其突出，如處理不好，對測試結果會產生極大的影響。我們采用了兩項關鍵技術解決了此問題：一是采用面對環境空氣質量專用傳感器；二是使用選擇性合適過濾器，由此使本系統監測結果準確、可靠。

2.    氣體傳感器的工作原理：

傳感器通常由三個電極構成，其中主要的是工作電極。它通常是用一種具有催化活性的金屬，例如：鉑，將其噴鍍在一種透氣但是憎水的膜上做成。被測量的氣體擴散透過多孔的膜在其上進行氧化或還原反應。其反應的性質以工作電極的熱力學電位和分析氣體的（氧化還原）性質而定。氧化還原反應中參加反應的電子，流向（還原）或流出（氧化）工作電極，通過外電路成為傳感器的輸出信號。為了氧化還原反應得以進行，工作電極的熱力學電位是一個極為重要的因素。參考電極則是為了提供電解中的工作電極具有一種穩定的電位而設。參考電極通常需要保護，使之不暴露在樣氣中，這樣參考電極的熱力學電位就總是具有同一數值保持穩定。此外，參考電極不允許有電流需要的第二電極，它的作用主要是允許電子進入或流出傳感器內部。

    控制工作電極電位和將信號電流轉換為電壓信號的電路稱之恒電位電路（或恒電位器）。工作電極的工作信號需經運放U2轉換為電壓信號。電路同時保持工作電極的電壓使之處于其偏壓Vbias之值。參考電極電位與一個經過仔細選擇的穩定的輸入電壓Vbias比較后，線路中運放U1在對電極產生一電壓信號，其大小正好是產生一個與工作電極電流相等相反的電流信號。同時恒電位電路使工作電極與參考電極之間保持一恒定的電位差（電壓）。特點：檢測達ppb級，傳感器體積小、日常維護簡便

2.    粉塵監測部分：

采用激光光源，內裝光學標準散板,確保儀器高穩定性。儀器設計了可更換的粒子切割頭，兼容了PM10、PM5、 PM2. 5 、 TSP多種粒子分離切割。在線濾膜采樣器，實現了連續監測粉塵濃度，可與濾膜采樣兼容，可以分析所收集到的顆粒物成份，并可求出該場所的質量濃度轉換系數K值。 設計了恒流控制器， 確保采樣流量恒定，切割曲線的正確。具有特別的保護氣幕，避免了粉塵對儀器部件—光學系統的污染，確保儀器高可靠性。通過計算機軟件實現儀器零點自動調節，提高了儀器測量，方便了用戶使用。

特點：響應時間短，實時性好，能實現每分鐘出一個濃度數據

3.    控制器：

對于數據采集系統，由于現安裝的報警器無RS485通信功能，由于該產品是我公司所生產，根據現場檢查可以將現有主板做硬件升級，而其它部件不需要增加的情況下，就可以完成系統升級方案的要求。所以只需要更換或更新主板，并升級8個數據采集系統的主板程序即可實現。升級后主板右下角部分將有RS485通信接口用于空氣質量在線監測系統數據傳輸使用。如下圖所示：

4.    系統通信方案

采用基于GPRS上網方式的DTU數據采集模塊，使用無線的方式將數據通過Internet網絡把數據傳輸到空氣質量在線監測系統的工控機。

3.    氣象監測部分（選配）：

采用脈沖原理對風速、風向進行測量，大氣壓力、溫度濕度采用進口數字型高精密傳感器進行測量。體積小但自我保護做得比較好因此不會受到戶外的惡劣氣候的影響比如高溫、高濕、低溫、大風等。傳感器都采用的國外進口芯片以保證測量的準確度。

特點：測量范圍寬，高，穩定性好

4.    大數據云平臺服務軟件：

基于在線空氣質量監測終端的功能全面、成本低以及其他顯著的優點，可以實現在特定區域內的相對密集的布點監測。通過大量的布點，組成廣泛的監測平面，而非孤立的一個監測點，因此能夠有效的對那些距離環境空氣質量自動監測站較遠、周邊可能存在的空氣污源、以及地理位置特殊等條件下的環境空氣質量進行監測。

采用云服務器包括：主系統服務器、數據服務器、運行控制服務器、用戶服務器、備份服務器等組成的云平臺，保障了快速和智能的環境數據處理能力。

圖：數據鏈路圖（衛星）

5.    管理平臺展示

公司將通州測試的4個點站點的測試數據，實時在https://124.200.27.123:8080/網站進行公布，歡迎用戶隨時登錄查看。登錄網站后，只需輸入驗證碼點登錄即可。

數據頁

主要功能

1、實時數據在線查看、歷史數據查詢、數據分析、數據導出、用戶密碼重置和修改、系統管理、權限分級管理、導出數據防護等功能。

2、該平臺為測試及展示平臺，系統功能會隨客戶需求進行修改。目前啟動了01-04四個測試站點，測試數據為每5分鐘更新，測試數據為直接測試結果無人工進行調整。

6.    用戶端

主要功能

1.           將以衛星云圖的形式進行展示，可提供PC端查看和手機端等形式查看。同樣可以根據客戶需求進行調整，展示的方式和內容。

2.           參考國家AQI標準進行分級顯示，用顏色來區分。

0-50    為用綠色圓點表示

51-100  為二級用黃色圓點表示

101-150為三級用橙色原點表示

151-200為四級用紅色原點表示

201-300為五級用深紅色原點表示

301-400為六級用紫色原點表示

401-500為七級用黑色圓點表示

3.           報警值以及報警形式由客戶需求選定

AQI標準

技術指標

1.    氣體技術指標：

2.    PM2.5、PM10技術參數

3.    空氣質量監測儀其它性能指標：

工作溫度：       5-40oC

存儲溫度：       -20-40oC

工作濕度：       ≤15%-85%RH非冷凝

零    漂：       ±2%F.S

量程零漂：       ±3%F.S

響應時間：       <150s

傳感器工作壽命： >2年

采樣流量：       300ml/min

采樣方式：       泵吸式

供電方式：       外置太陽能板

                 外接交流電供電(AC220V 50Hz1.0A)

4.    溫度測量范圍及：

測量范圍：-40℃～+50℃；測量：±0.1℃。

5.    濕度測量范圍及：

測量范圍：0～100%RH；測量：±2%RH。

6.    大氣壓強測量范圍及：

測量范圍：30KPa～110KPa；測量：±0.03HPa

7.    風速測量范圍及：

測量范圍：1～30m/s；測量：±0.1m/s;

8.    風向測量范圍及：

測量范圍：0～360° 16方位，22.5°/方位；測量：±22.5°。