车载式环境监测系统的设计

2018-06-01，，，，

机械与电子 2018年5期

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(西安工业大学机电工程学院，陕西西安 710021)

0 引言

随着人类滥用自然资源而导致的环境污染问题日益严重，我国在高速发展经济的同时也给环境造成了不少的危害，噪音、水和大气污染已成为全人类需要重点解决的三大环境污染问题。环境监测是环境治理重要的数据来源，其监测方法的好坏直接决定着人们对环境状态的感知和政府对环境治理的政策引导[1-2]。

20世纪80年代，实时自动连续的环境监测系统就已经在出现在欧美的发达国家中了，并将遥感技术、地理信息系统技术和全球卫星定位系统技术应用到环境监测中，更为全面的发展和开展了环境监测[3]。

20世纪80年代，中国才开始重视环境监测，并且致力于研究和开发环境监测的设备。直到1995年，国家挑选出部分试点城市，进行在线自动环境监测测试[4]。经过了之后的30多年发展，中国现在已经利用卫星进行环境监测，同时利用生物、物理和生态的方式进行环境监测，并且从人工复杂的监测发展到如今依靠科技手段的自动连续实时监测[5-7]。

目前的环境监测如扬尘监测、气象监测主要还是以定点监测为主，例如西安有13个扬尘监测点，虽然具备实时数据采集功能但监测设备体积大、价格昂贵而且没法对污染源进行定位，因此以汽车为载体开发出一款车载式环境监测系统，机动性强，能够有效弥补定点监测的不足。

1 车载环境监测系统设计

本系统设计及实现一个车载式环境监测系统，用来移动监测建筑工地、道路和郊区环境中噪声、扬尘及气象参数，整个系统采用STM32F103为主控芯片，噪声传感器选用的数字噪音计VC824B，扬尘传感器选用的是SM-PWM-01A，这两路信号经过扬尘、噪声专用的数据处理模块将环境参数输入主控芯片，气象仪选用WXA100，经过气象模块处理后再由485方式传入；所有的环境参数经过网口模块和路由器上传到相机、LED屏幕或者是经Wi-Fi到平板电脑进行数据发布。同时本系统具有预警功能和现场视频图像监控功能。如图1所示是本系统的总体设计框图。

图1 车载式环境监测系统总体方案框

1.1 系统硬件设计

车载式环境监测系统硬件电路总体框图如图2所示，主要包含采集部分、核心部分和附加部分。

采集部分是信息交互的关键，也是本系统的基础，它决定了系统测量的条件。本系统数据的采集主要用到2个C8051F350芯片，分别用于采集噪声数据和扬尘数据，并且将数据传输给STM32F103RCT6芯片，让其进行处理，此外，气象数据直接通过RS485传给STM32F103RCT6芯片。

核心部分是系统的控制中心，它包含各模块的电源供给和STM32F103RCT6芯片对数据的处理、存储和传输，其中数据的存储用到ATMLH002存储芯片，数据的传输用到串口转网口模块。

附加部分是实现系统需要的其他功能而增加的模块，它包含报警灯功能、按键功能和LCD显示功能的实现。

图2 车载式环境监测系统硬件电路总体设计框图

1.1.1 噪声数据采集电路的设计

本系统中采用的噪声传感器是数字噪音计VC824B，该传感器为胜利公司的产品。将该产品的外包装盒拆开，查看内部电路板，经研究和分析，将该电路板采集处理后的噪声数据传给系统主控板，于是就将该产品的电路板噪声模拟信号输出接口焊接到主控板中C8051F350芯片的输入输出引脚上，并且主控板采集到的噪声数据按照模拟数据量0.01 mV对应转换为1 dB的数字量进行A/D转换，同时，为了保证测量数据的准确性，需要用到电位器调节模拟量增益系数而进行数据校正。

1.1.2 扬尘数据采集电路的设计

扬尘数据采集是将SM-PWM-01A粉尘传感器的模拟数据传输给C8051F350进行处理，并结合电位器调节其增益系数进行校正。

C8051F350芯片的供电来自于系统总体电源部分，粉尘传感器输出YC-P1和YC-P2两种低脉冲信号，分别表示PM2.5和PM10，通过端子将粉尘传感器接口接入C8051F350芯片的P1.4和P1.6引脚，经过内部数据处理之后，再将数据通过P0.4和P0.5引脚发送给STM32F103RCT6进行处理。同时焊接电位器，通过AIN0.6和AIN0.7引脚来调节增益系数校正扬尘数据。

1.1.3 气象数据采集电路的设计

由于气象传感器带有RS485的通信方式，于是气象数据直接通过标准RS485传给STM32F103RCT6芯片。

1.2 软件设计

本系统的软件设计包含数据处理、通信部分和附加部分。

数据处理是考验本系统的精准度和可靠性的关键，它包含噪声数据的接收，扬尘数据的滤波处理，气象数据的接收和解析。

通信部分是本系统的基础，它的目的不仅是接收来自传感器的数据，而且还需要把处理好的数据打包发送出去。本系统主要用到的通信接口是USART，并且需要用到RS485来完成气象数据的请求和接收。

附加部分使得本系统更加完善，它主要是报警灯功能的实现，让用户可以知道当前监测的数据是否超出限制，是否需要人为的干预，是否需要及时而合理的治理污染。

本系统的软件总体设计主要是按照计时时间来进行的，当计时1大于3 s的时候，开始发送请求气象发送指令给气象传感器，等待接收和校验气象数据，然后按照气象传感器的通信协议进行数据解析，得到需要的气象数据。当计时2大于10 s的时候，进入USART中断，开始接收噪声和扬尘数据，并且进行数据的识别，将扬尘数据做进一步的滤波处理，然后将处理好的噪声、扬尘和气象打包放入字节数据中，等待发送这些数据至串口转网口和LCD上，此外，为了更好的实现监测预警功能，在发送数据前，增加了判断噪声和扬尘数据是否超限，进而判断是否需要发出灯闪的警报。系统的软件总本体设计流程图如图3所示。

图3 车载式环境监测系统软件总体设计流程

2 试验结果

完成系统软硬件设计后，将系统连接实物图如图4所示，进行联调，初步实现了系统的功能，为了保证系统的环境数据的有效性，噪声数据通过声级计进行标定，测试方法是先用声级校准计校准一次噪声传感器的电容麦克风(分别用94 dB及114 dB两个档位校准)，然后每10 min用声级校准计测量并记录2个档位数据，每个档位共记录40组，最后将所测量的2个档位数据绘出曲线图并分析。如图5是根据所测数据绘制出的94 dB及114 dB档位噪声检测数据变化趋势。为了更直观的看出曲线变化趋势，纵坐标的范围改为92～118 dB。

由上图5可以看出94 dB档位的变化范围在93.5～95.79 dB，114 dB档位的变化范围在113.6～115.3 dB，数据误差小于2 dB，在可接受范围内，同时可看出2个档位的总体变化趋势基本一致，数据的准确性及可靠性较高。

图4 实物

图5 噪声检测数据曲线

扬尘数据经过前期调节后，选用2台扬尘模块进行标定，地点是在西安大气探测中心草滩分站，

测试时间为2015年7月15日10时到15时。测试条件是每隔1分钟统计一次测量数据，扬尘PM10数据各设备分别为80组。测量后的扬尘数据与西安大气探测中心公布的PM10数据做对比，如图6所示。可以看出所测量的PM10数据与气象站的数据变化趋势总体基本一致，虽然在数值方面重合度不高，明显可看出总体数据的稳定性较好。