基于云處理車載移動大氣顆粒污染物的環(huán)境檢測方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及大氣環(huán)境檢測技術領域，尤其涉及一種基于云處理平臺的車載移動PM2.5大氣顆粒污染物的環(huán)境檢測方法及系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]研究適合于車載移動的PM2.5環(huán)境監(jiān)測器與云計算技術，配合城市現(xiàn)有PM2.5監(jiān)測站，及時、準確并全面地反映大氣質(zhì)量及趨勢，為環(huán)保、污染源監(jiān)控、城市規(guī)劃等提供科學的依據(jù)，結合工業(yè)布局、城市交通、人口等元素，進行系統(tǒng)研究，密切監(jiān)控城市大氣質(zhì)量并起到積極的技術支撐作用。
[0003]懸浮在空氣中的液態(tài)與固態(tài)顆粒狀物質(zhì)統(tǒng)稱為大氣顆粒物。各種顆粒物分散在空氣中構成了一個相對穩(wěn)定的懸浮體系，通常按照粒徑把大氣顆粒物分為:總懸浮顆粒物TSP、粗粒子PM10和細粒子PM2.5。粒徑大小是影響大氣顆粒物危害性的重要因素，細粒子PM2.5直徑相當于人類頭發(fā)的十分之一，顆粒物空氣動力學粒徑大小決定其進入呼吸道和在呼吸道內(nèi)的滯留。細粒子PM2.5被吸入人體后會直接進入支氣管，干擾肺部正常工作，引發(fā)包括哮喘、支氣管炎等方面的多類疾病。Mie的散射理論指出:包括細粒子在內(nèi)的微小顆粒受到光線照射時，如果光波長所在的數(shù)量級與顆粒直徑相當，則光能主要以光散射的形式衰減。Mie散射具備以下三大光學特征:1)散射光強度分布隨著角度的變化而變化。當入射光波長遠小于粒子直徑時，散射光光強分布復雜。2)隨顆粒物直徑增大，前向散射光子數(shù)相對增加，后向散射光子數(shù)則相對減少。3)當顆粒物直徑遠大于散射光波時，則主要發(fā)生光線的衍射，此時波長和粒子直徑對散射光的影響很小。基于Mie散射的思路，細顆粒物受光照后會發(fā)出散射光信號，接收到的散射光與顆粒物濃度呈現(xiàn)一種線性關系，通過該原理可計算出大氣顆粒物濃度。目前城市區(qū)域350米以下基本都有顆粒污染物存在，我國城市尤其是大城市污染程度嚴重，由于工業(yè)信息化程度仍處于較低水平，城市公眾對于PM2.5的污染關注度不斷提升，使得城市區(qū)域PM2.5的監(jiān)測顯得日益重要。
[0004]現(xiàn)有采用光散射法的PM2.5環(huán)境監(jiān)測器依據(jù)微粒Mie散射理論進行制造。其工作原理是通過光束檢測大氣顆粒物尺寸，大氣顆粒物尺寸數(shù)量級等于或大于光的波長時，便會產(chǎn)生光能衰減，其表現(xiàn)形式主要是光的散射，該類監(jiān)測器主要包括光源、透鏡、反光鏡、光電探測器、信號放大器與電信號分析電路等組成部分。當大氣顆粒物受光線照射并發(fā)生光線散射現(xiàn)象時，光電探測器利用反光鏡聚焦透鏡的方式，通過捕獲散射光以完成光電信號轉化，隨后將獲取的光電信號通過前置放大與噪聲濾波等實時處理后，在電信號分析電路中進行脈沖發(fā)生量計算。由于脈沖與大氣顆粒物相對濃度成正比，系統(tǒng)每接收到一次脈沖信號就表示檢測器接收一個散射光。通過在相同大氣環(huán)境下多組測量后收集的大氣數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)擬合技術計算并獲取PM2.5環(huán)境監(jiān)測器測出的大氣顆粒物數(shù)據(jù)。目前我國PM2.5環(huán)境監(jiān)測器生產(chǎn)企業(yè)大都采用光學方法設計與制造PM2.5檢測器，在設計中通過利用射線動態(tài)加熱系統(tǒng)技術以減少檢測誤差。在使用中采用鋰電池給檢測系統(tǒng)供電，由于鋰電池自身體積較大、成本、重量、充電等客觀因素，現(xiàn)有PM2.5環(huán)境檢測器并不適合車載移動使用。通過國內(nèi)市場調(diào)查發(fā)現(xiàn):現(xiàn)有環(huán)境監(jiān)測后臺數(shù)據(jù)庫仍主要基于傳統(tǒng)關系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，難以適應日益增長的海量數(shù)據(jù)存儲、大規(guī)模數(shù)據(jù)分析與應用的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對上述存在的問題，本發(fā)明旨在提供一種基于云處理車載移動大氣顆粒污染物的環(huán)境檢測方法及系統(tǒng)，針對城市區(qū)域PM2.5的檢測，發(fā)明一種基于云處理平臺的車載PM2.5環(huán)境檢測方法，主要涉及前端車載檢測器設備與后端云處理平臺，采用低價、可移動的PM2.5環(huán)境監(jiān)測器輔助傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測站的工作方式，可以形成數(shù)據(jù)的有效互補，以便掌握城市區(qū)域大氣中全面、真實的細粒子PM2.5數(shù)據(jù)。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案如下:
基于云處理車載移動大氣顆粒污染物的環(huán)境檢測方法，包括以下步驟:
(1)前端車載移動PM2.5環(huán)境檢測器部署步驟:所述環(huán)境檢測器安裝在城市公交車輛頂部位置，采集5米以下的大氣顆粒物濃度信息，車輛電源對環(huán)境檢測器進行供電；
(2)前端車載移動PM2.5環(huán)境檢測器數(shù)據(jù)檢測步驟:包括氣路模塊、光電檢測模塊、前置放大器模塊、A/D轉換模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊、電壓轉換模塊、CPU處理器以及GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸模塊部分；氣路模塊采集大氣顆粒物PM2.5，光電檢測模塊進行數(shù)據(jù)采集，將光的變化轉換成電量的變化，獲取PM2.5顆粒濃度數(shù)據(jù)，輸出電信號，電信號經(jīng)過前置放大器放大后傳輸給A/D轉換模塊，再由數(shù)據(jù)采集與處理模塊將數(shù)據(jù)傳輸給CPU處理器，由CPU處理器進行PM2.5顆粒物檢測，最終通過GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸模塊進行檢測數(shù)據(jù)的傳輸，電壓轉換模塊在檢測的同時向光電檢測模塊、前置放大器以及A/D轉換模塊提供電壓；其中，大氣顆粒物PM2.5的計算步驟如下:
a、經(jīng)過光電檢測模塊的大氣顆粒物檢測，檢測數(shù)據(jù)形成反映顆粒物粒徑的PWM波形，低電平波形寬度為10 ~ 90微秒，利用PWM波形獲取相關參數(shù)，通過計算低電平的占空比，從而獲取對應數(shù)值，T表示30秒內(nèi)低電平累積時間，L表示通道的低電平脈沖占空比，存在:L= (T/30) X 100，采用P表示測試的采樣值，
b、當獲取到的L< 0.08，則:
P = 0.1XLX100X10 (微克 / 立方米)；
當 0.08 彡 L〈 0.15，則:
P = (((LX 100-8)/6.5 + 0.8)) X 10 (微克 / 立方米)；
C、將光電檢測模塊其中1個通道設置為檢測1微米以上的粒子值P1，另1個通道設置為檢測2.5微米以上的粒子值P2，通過采集兩個通道的采樣值，采用下式計算最終的顆粒物PM2.5采樣值PL:
PL = P1- P2
最終計算出大氣中粒子直徑小于或等于2.5微米的顆粒物含量；
(3)進行后端云存儲與云處理步驟:包括接入服務器模塊、處理服務器集群、存儲服務器集群及網(wǎng)絡服務器模塊部分；經(jīng)過GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸模塊進行數(shù)據(jù)的接收，數(shù)據(jù)經(jīng)處理服務器集群進行計算、處理，處理的數(shù)據(jù)存儲在存儲服務器集群、最終通過網(wǎng)絡服務器模塊進行實時發(fā)布。
[0007]進一步的，所述光電檢測模塊包括紅外光學傳感器和外圍電路。
[0008]進一步的，所述紅外傳感器由紅外光源發(fā)射部分、加熱器、散射光收集部分以及透鏡四部分組成。
[0009]進一步的，紅外光學傳感器內(nèi)置加熱器，上升氣流使傳感器外部空氣進入傳感器內(nèi)部，傳感器內(nèi)部的空氣經(jīng)過檢測通道，利用上述光線傳導原理并通過光與透鏡的組合來進行光信號的檢測。
[0010]進一步的，電壓轉換模塊由運算放大器、電阻與電容組成，并且通過調(diào)節(jié)以改變紅外光學傳感器的供電電壓，從而實現(xiàn)功率穩(wěn)定與控制調(diào)節(jié)。
[0011]進一步的，作為紅外光學傳感器5V、12V和3.3V的3種工作電壓，5V與12V電壓由車輛供電系統(tǒng)直接提供，3.3V工作電壓則由12V電壓通過電壓轉換模塊轉換，為保證紅外光學傳感器的功率穩(wěn)定，選擇壓控電流源為紅外光學傳感器供電，為防止電壓突變等異常因素對紅外光學傳感器的二極管造成損害，作為紅外光學傳感器的保護電路，在壓控電流源前增加二極管與電容，取R1=R2=R3=R4時，壓控電流源工作電壓Vo與系統(tǒng)給定輸入電壓Vi之間存在:
Vo = Vi / R
通過調(diào)節(jié)R值以改變紅外光學傳感器供電電壓，從而實現(xiàn)功率穩(wěn)定與控制調(diào)節(jié)。
[0012]基于云處理車載移動大氣顆粒污染物環(huán)境檢測系統(tǒng)，包括設置在車輛上的前端車載移動PM2.5環(huán)境檢測器系統(tǒng)及設置在監(jiān)測站的后端云存儲與云處理系統(tǒng)；其中，所述前端車載移動PM2.5環(huán)境檢測器系統(tǒng)包括以下部分:
氣路模塊，用于采集大氣顆粒物；
光電檢測模塊，作為檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源，將光的變化轉換成電量的變化；
前置放大器模塊，將接收到的電信號放大；
A/