网格化在线监测系统

KLR-W01 

一、       前言

国家对于环境空气质量监控，传统采用的是固定站+便携式的模式。由于价格昂贵导致铺设的站点非常的稀松，基本城市多也就是每个区一个站点，每个市另外配备5套便携式设备。已北京市为例，已经算全国监测设备贵，站点设置密集的城市。长期在线监测的站房总共是24个，备用站房是12个。采用的检测方法大多数都是红外、紫外、化学发光法等，建站费用将近100万/站点，维护费用高达10万/年，平均每3天就要进行人工校准所浪费的人力就无法估算了。即便如此，能覆盖到的地方也是微乎其微，平均每个站点能监测到的也多不过直径2公里以内的气体污染情况，如此计算下来24个站点也就多覆盖了48公里的监测范围。并且每个站点的参数都是标准6参数。按照国家颁布的要求，网格化监测部署HJ 664—2013标准，的是每500米-4公里设立一个小型监测探头。北京市总共16410.54平方公里，单按一个站点覆盖2公里计算那么都需要8205台仪器。对于工业城市污染特征气体、无组织排放气体（如垃圾填埋场的VOC、恶臭等）监测不足。发布的时效性较差，都是检测后人工整理数据后再发布。数据真实性无法追溯，因为数据从仪器导出后的数据是可进行人工修改的。对于国家环保执行标准无人监管，导致数据是否超标无能力过问。

构建地理信息系统的空气环境质量监测、预警、预报平台。实现网格化、大面积联防联控，大气污染溯源通量解析。搭建工业园区环境安全一体化监控平台。促进环境污染大数据监测。需要低成本、小型化多参数的在线环境空气质量监测仪作为现有国控点的补充。需要结合云计算，为管理部门和公众提供实时的环境空气质量发布服务。需要结合大数据，推演无监测点的数据及预测数据。需要结合大数据，分析工厂排污特征，实现在线远程监管污染偷排。

二、       应用领域

1.    城市环境监测：

城市空气环境质量评测系统、垃圾填埋、垃圾场监测、气象站配套监测、家庭空气质量监测。

2.    工业及厂界监测：

工业园区厂界监测、工业厂区常规排放有毒气体监测、发电厂、油田、石化厂、矿业、废旧垃圾再加厂区监控、污水处理厂、点源污染监测、机场、港口、在建建筑工地。

3.    其他空间监测：

林业环境评价监测、农业臭氧杀虫、消毒监测、养殖场饲养环境监测、实验室分析、坑道、下水道、管道等检测。

三、       检测依据

1.    GB 3095 大气环境质量标准

四、       系统概述

城市空气污染气象条件监测分析系统由多台在线环境质量监测终端、大数据云平台服务软件以及用户终端APP三部分组成。该系统主要设备可在居民区、公路边、大型商圈、工业园区等位置成网状铺设。通过对大气污染物以及环境气象条件的实时监测，同时结合大数据与云计算等新技术，大气污染过程的模拟分析，实现区域内污染物转移预测，进一步实现环境空气质量的总体形势预报。

图：系统应用框图

五、       系统主要特点

1、 功能完善：单台空气质量监测终即可实现对环境空气中的常规有害气体的监测，主要包括SO₂、NO₂、CO、O₃、PM_2.5、PM10、气象五参数；（气象五参数、太阳能板、通讯SIM卡为非标配）

2、 低成本：单台终端的成本不到环境空气质量自动监测站的10%；

3、 高：气体部分检测达到ppb级，PM_2.5检测达到0.001ug/m-³  

4、 供电灵活：太阳能与AC220V市电自由切换；

5、 实时：通过GPRS等网络和软件平台，实现用户终端实时将数据显示；

6、 准确定位：内置双模GPS+北斗定位系统，准确可靠定位数据来源；

7、 运维简易：该终端结构设计合理，可靠性高，安装维护方便；

六、       在线空气质量监测终端的组成及原理

该终端由气体监测部分、气象条件监测部分、粉尘监测部分、数据通信部分、电源五部分组成。

图：在线环境质量监测仪结构组成图

气体部分可实时在线监测空气中的SO₂、NO₂、CO、O₃浓度，达到ppb级

气象部分可监测环境中的风速、风向、温度、湿度、大气压力共五个参数的变化；

粉尘部分用于监测环境当中的可吸入颗粒物PM2.5（PM10等可扩展）的实时浓度；

数据通信部分由通信模块DTU、GSM、及INTERNET网络组成，实现数据和服务器之间的实时通讯。

电源部分采用了较大功率的太阳能电池板，以及大容量的储能设备，可实现不间断工作。

图：在线环境质量监测终端实物图

七、       各部分检测参数与方法：

1.    气体监测部分：

1.    气体检测部分工作原理

本仪器采用高灵敏度电化学传感器原理，结合单片机技术和网络通讯技术，可以连续监测大气中的SO2、NO2、O3、CO、H2S、NH3、HF气体，按需要显示需要的测量数据。首先由抽气泵将环境空气通过过滤器，经流量调节器后分别以300ml/min的流量送到传感器气室，通过传感器时所产生的信号经放大、A/D转换后，由微处理器进行采集、计算、数据处理，产生浓度结果数据，同时保存数据结果或通过RS485串行接口送至信息中心。

对于空气中微量气体的检测，不同气体之间的交叉干扰尤其突出，如处理不好，对测试结果会产生极大的影响。我们采用了两项关键技术解决了此问题：一是采用面对环境空气质量专用传感器；二是使用选择性合适过滤器，由此使本系统监测结果准确、可靠。

2.    气体传感器的工作原理：

传感器通常由三个电极构成，其中主要的是工作电极。它通常是用一种具有催化活性的金属，例如：铂，将其喷镀在一种透气但是憎水的膜上做成。被测量的气体扩散透过多孔的膜在其上进行氧化或还原反应。其反应的性质以工作电极的热力学电位和分析气体的（氧化还原）性质而定。氧化还原反应中参加反应的电子，流向（还原）或流出（氧化）工作电极，通过外电路成为传感器的输出信号。为了氧化还原反应得以进行，工作电极的热力学电位是一个极为重要的因素。参考电极则是为了提供电解中的工作电极具有一种稳定的电位而设。参考电极通常需要保护，使之不暴露在样气中，这样参考电极的热力学电位就总是具有同一数值保持稳定。此外，参考电极不允许有电流需要的第二电极，它的作用主要是允许电子进入或流出传感器内部。

    控制工作电极电位和将信号电流转换为电压信号的电路称之恒电位电路（或恒电位器）。工作电极的工作信号需经运放U2转换为电压信号。电路同时保持工作电极的电压使之处于其偏压Vbias之值。参考电极电位与一个经过仔细选择的稳定的输入电压Vbias比较后，线路中运放U1在对电极产生一电压信号，其大小正好是产生一个与工作电极电流相等相反的电流信号。同时恒电位电路使工作电极与参考电极之间保持一恒定的电位差（电压）。特点：检测达ppb级，传感器体积小、日常维护简便

2.    粉尘监测部分：

采用激光光源，内装光学标准散板,确保仪器高稳定性。仪器设计了可更换的粒子切割头，兼容了PM10、PM5、 PM2. 5 、 TSP多种粒子分离切割。在线滤膜采样器，实现了连续监测粉尘浓度，可与滤膜采样兼容，可以分析所收集到的颗粒物成份，并可求出该场所的质量浓度转换系数K值。 设计了恒流控制器， 确保采样流量恒定，切割曲线的正确。具有特别的保护气幕，避免了粉尘对仪器部件—光学系统的污染，确保仪器高可靠性。通过计算机软件实现仪器零点自动调节，提高了仪器测量，方便了用户使用。

特点：响应时间短，实时性好，能实现每分钟出一个浓度数据

3.    控制器：

对于数据采集系统，由于现安装的报警器无RS485通信功能，由于该产品是我公司所生产，根据现场检查可以将现有主板做硬件升级，而其它部件不需要增加的情况下，就可以完成系统升级方案的要求。所以只需要更换或更新主板，并升级8个数据采集系统的主板程序即可实现。升级后主板右下角部分将有RS485通信接口用于空气质量在线监测系统数据传输使用。如下图所示：

4.    系统通信方案

采用基于GPRS上网方式的DTU数据采集模块，使用无线的方式将数据通过Internet网络把数据传输到空气质量在线监测系统的工控机。

3.    气象监测部分（选配）：

采用脉冲原理对风速、风向进行测量，大气压力、温度湿度采用进口数字型高精密传感器进行测量。体积小但自我保护做得比较好因此不会受到户外的恶劣气候的影响比如高温、高湿、低温、大风等。传感器都采用的国外进口芯片以保证测量的准确度。

特点：测量范围宽，高，稳定性好

4.    大数据云平台服务软件：

基于在线空气质量监测终端的功能全面、成本低以及其他显著的优点，可以实现在特定区域内的相对密集的布点监测。通过大量的布点，组成广泛的监测平面，而非孤立的一个监测点，因此能够有效的对那些距离环境空气质量自动监测站较远、周边可能存在的空气污源、以及地理位置特殊等条件下的环境空气质量进行监测。

采用云服务器包括：主系统服务器、数据服务器、运行控制服务器、用户服务器、备份服务器等组成的云平台，保障了快速和智能的环境数据处理能力。

图：数据链路图（卫星）

5.    管理平台展示

公司将通州测试的4个点站点的测试数据，实时在https://124.200.27.123:8080/网站进行公布，欢迎用户随时登录查看。登录网站后，只需输入验证码点登录即可。

数据页

主要功能

1、实时数据在线查看、历史数据查询、数据分析、数据导出、用户密码重置和修改、系统管理、权限分级管理、导出数据防护等功能。

2、该平台为测试及展示平台，系统功能会随客户需求进行修改。目前启动了01-04四个测试站点，测试数据为每5分钟更新，测试数据为直接测试结果无人工进行调整。

6.    用户端

主要功能

1.           将以卫星云图的形式进行展示，可提供PC端查看和手机端等形式查看。同样可以根据客户需求进行调整，展示的方式和内容。

2.           参考国家AQI标准进行分级显示，用颜色来区分。

0-50    为用绿色圆点表示

51-100  为二级用黄色圆点表示

101-150为三级用橙色原点表示

151-200为四级用红色原点表示

201-300为五级用深红色原点表示

301-400为六级用紫色原点表示

401-500为七级用黑色圆点表示

3.           报警值以及报警形式由客户需求选定

AQI标准

技术指标

1.    气体技术指标：

2.    PM2.5、PM10技术参数

3.    空气质量监测仪其它性能指标：

工作温度：       5-40oC

存储温度：       -20-40oC

工作湿度：       ≤15%-85%RH非冷凝

零    漂：       ±2%F.S

量程零漂：       ±3%F.S

响应时间：       <150s

传感器工作寿命： >2年

采样流量：       300ml/min

采样方式：       泵吸式

供电方式：       外置太阳能板

                 外接交流电供电(AC220V 50Hz1.0A)

4.    温度测量范围及：

测量范围：-40℃～+50℃；测量：±0.1℃。

5.    湿度测量范围及：

测量范围：0～100%RH；测量：±2%RH。

6.    大气压强测量范围及：

测量范围：30KPa～110KPa；测量：±0.03HPa

7.    风速测量范围及：

测量范围：1～30m/s；测量：±0.1m/s;

8.    风向测量范围及：

测量范围：0～360° 16方位，22.5°/方位；测量：±22.5°。