李宇佳

(北京市通州區(qū)生態(tài)環(huán)境局，北京 101101)

隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)技術(shù)的高速發(fā)展，大氣環(huán)境的污染問題越來越嚴(yán)重，并且污染的類型也從單一的城市型污染緩慢變換成以地域污染以及煤煙污染等構(gòu)成的混合型污染[1-2]。大氣環(huán)境的日益惡化，造成部分地區(qū)的灰霾天氣常常出現(xiàn)，嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境和人們生活[3-4]。因此，環(huán)境污染成為世界學(xué)者的一個(gè)研究熱點(diǎn)，亟待對大氣環(huán)境的監(jiān)測方法進(jìn)行研究。近年來，大氣環(huán)境的治理不斷深入，對大氣環(huán)境的質(zhì)量監(jiān)測、污染物控制等方面均提出更為嚴(yán)格的要求[5]。目前常用的監(jiān)測手段有利用植物對大氣環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測[6-8]，通過對比不同植物在一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的變化，進(jìn)而判斷該地區(qū)存在的污染物，該方法在監(jiān)測環(huán)境的同時(shí)還能美化環(huán)境，受到廣泛關(guān)注，然而該方法存在受地區(qū)限制和監(jiān)測時(shí)間長等不足。此外，還有利用Web的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)對工廠企業(yè)的廢水以及廢氣進(jìn)行規(guī)范化管理，有效降低污染物的排放[9-10]；利用地理信息系統(tǒng)建立相關(guān)監(jiān)測系統(tǒng)，觀測大氣污染區(qū)域及擴(kuò)散范圍[11-12]。目前的研究存在監(jiān)測效率低、覆蓋面小和數(shù)據(jù)反饋延遲的問題[13]，需要研究一種有效的環(huán)境污染監(jiān)測方法，進(jìn)而提高對大氣環(huán)境的監(jiān)測效率。射頻識別的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠有效提高數(shù)據(jù)采集以及之間的交互[14-15]。本文基于該技術(shù)建立大氣污染環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的有效分析。首先分析基于射頻識別的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，并建立大氣污染監(jiān)測系統(tǒng)。通過所建立系統(tǒng)和傳統(tǒng)監(jiān)測進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證所建立系統(tǒng)的有效性。此外，根據(jù)研究結(jié)果對造成環(huán)境污染的主要原因及其治理方法進(jìn)行分析討論，結(jié)果具有一定的工程實(shí)際意義。

1 大氣污染監(jiān)測系統(tǒng)總構(gòu)架設(shè)計(jì)

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基本工作原理

1.1.1 物聯(lián)網(wǎng)基本構(gòu)架

世界各地的人民通過互聯(lián)網(wǎng)將彼此緊密地聯(lián)系在一起，而物品則可以通過采用射頻自動(dòng)識別技術(shù)RFID(Radio Frequency Identification)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相互聯(lián)系，利用彼此的交互構(gòu)成全球性質(zhì)的實(shí)際物品互相關(guān)聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，即物聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)主要由3個(gè)模塊構(gòu)成，分別為射頻自動(dòng)識別RFID系統(tǒng)、Savant System、Internet System，具體結(jié)構(gòu)[16]如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of Internet of Things

其中，射頻自動(dòng)識別RFID系統(tǒng)主要承擔(dān)對電子標(biāo)簽信息展開識別與解碼，并傳遞至專家系統(tǒng)，利用對象名解析服務(wù)器ONS(Object Name Service)和PML服務(wù)器進(jìn)行進(jìn)一步的處理和分析，最終將處理結(jié)果傳輸至網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，將所處理的信息進(jìn)行有效的存儲(chǔ)和管理。

1.1.2 射頻識別技術(shù)構(gòu)架及原理

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的RFID系統(tǒng)能夠有效實(shí)現(xiàn)非接觸的雙工數(shù)據(jù)通信，進(jìn)而對物品展開有效識別。因所使用的環(huán)境不同，RFID系統(tǒng)的構(gòu)成也將不一致，然而該系統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)都是由電子標(biāo)簽識別、閱讀器讀取以及數(shù)據(jù)交互管理3個(gè)模塊構(gòu)成。RFID系統(tǒng)的電子標(biāo)簽主要有芯片以及天線2大部分，并且各個(gè)芯片均有獨(dú)立的電子信息。RFID系統(tǒng)的主要運(yùn)行方式如圖2所示。此系統(tǒng)主要是利用無線電接收裝置以及傳感器接收裝置實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的相互傳輸。該射頻自動(dòng)識別系統(tǒng)首先通過閱讀器將固定頻率射頻信號利用天線進(jìn)行傳輸，天線中會(huì)產(chǎn)生一定的感應(yīng)電流，進(jìn)而讓電子標(biāo)簽激活并將自己的信息數(shù)據(jù)傳輸至閱讀器。當(dāng)閱讀器獲得該電子標(biāo)簽信息數(shù)據(jù)后進(jìn)行解析，再利用數(shù)據(jù)交互管理模塊進(jìn)行進(jìn)一步處理。

圖2 RFID系統(tǒng)的運(yùn)行方式Fig.2 Operation mode of RFID

1.2 大氣污染監(jiān)測系統(tǒng)總構(gòu)架設(shè)計(jì)

為了更好地對大氣污染情況進(jìn)行有效監(jiān)測，建立基于射頻識別物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大氣污染環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由感應(yīng)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)、實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)以及PCR干擾模塊系統(tǒng)組成，其系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)框架如圖3所示。該監(jiān)測系統(tǒng)通過4個(gè)子系統(tǒng)的互相配合實(shí)現(xiàn)對大氣污染信息的收集以及信息數(shù)據(jù)處理，進(jìn)而對環(huán)境污染情況展開有效分析。感應(yīng)子系統(tǒng)是通過設(shè)置在各地方的大氣污染檢測傳感器對大氣環(huán)境的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)測。傳感器主要利用微型氣體檢測方法以及有害氣體檢測方法，并結(jié)合全球定位系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對大氣環(huán)境中存在的不同氣體含量以及有害氣體含量數(shù)據(jù)信息進(jìn)行有效獲取。所獲取的氣體含量數(shù)據(jù)信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸子系統(tǒng)的無線通信方式傳輸至中央服務(wù)器中進(jìn)行分析。

圖3 大氣污染監(jiān)測系統(tǒng)總構(gòu)架Fig.3 General framework of air pollution monitoring system

中央服務(wù)器系統(tǒng)主要用于數(shù)據(jù)信息的篩選、剔除無效數(shù)據(jù)、提取有效數(shù)據(jù)并分類存儲(chǔ)有效數(shù)據(jù)信息。同時(shí)該服務(wù)器系統(tǒng)中的RFID物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠?qū)λ鎯?chǔ)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行特性解析，進(jìn)而獲得大氣環(huán)境污染信息的光譜頻率結(jié)果，進(jìn)一步分析大氣污染程度，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測的目的。

實(shí)際應(yīng)用子系統(tǒng)主要作用是利用人機(jī)交互方式將獲取的中央服務(wù)器系統(tǒng)的分析結(jié)果更為直觀和有效地呈現(xiàn)給用戶，讓用戶能夠及時(shí)采取有效地治理措施。

PCR干擾子系統(tǒng)主要作用是加強(qiáng)整個(gè)大氣污染監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測以及解析能力。該系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)融合濾鏡方法得到數(shù)據(jù)信息中的受干擾數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行進(jìn)一步分析，實(shí)現(xiàn)對全系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息監(jiān)測以及解析。

2 大氣污染監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)基于射頻識別物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大氣污染環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要有系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)2個(gè)方面。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括了雙片機(jī)、大氣環(huán)境傳感器、無線USB接口以及人工智能芯片。其中雙片機(jī)采用高性能、低損耗的微型控制器，并設(shè)置有在系統(tǒng)中能編程的儲(chǔ)存器。大氣環(huán)境傳感器主要采用了音頻、赫茲以及電磁場傳感器，實(shí)現(xiàn)對不同氣體含量的有效檢測。并利用無線USB接口對數(shù)據(jù)進(jìn)行有效傳輸，該接口采用雙驅(qū)500 Hz以及五驅(qū)1 kHz相結(jié)合的方法，通過ISQ通信方式完成不同模塊間相互的數(shù)據(jù)信息傳遞。人工智能芯片作為雙片機(jī)的核心控制芯片，其主要參數(shù)見表1。

表1 人工智能芯片主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of artificial intelligence chip

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要采用了射頻識別物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。此系統(tǒng)在各個(gè)大氣污染檢測傳感器中均配置CDP通信模塊，并利用無線通信技術(shù)將其與中央服務(wù)器系統(tǒng)連接，進(jìn)而建立覆蓋面廣、性能穩(wěn)定的大氣污染監(jiān)測網(wǎng)狀互聯(lián)網(wǎng)，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 大氣污染監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)Fig.4 Network structure of air pollution monitoring system

此外，系統(tǒng)有效利用了GPS信息系統(tǒng)構(gòu)建空間信息，結(jié)合設(shè)置傳感器所獲取的數(shù)據(jù)信息，利用中央服務(wù)器處理后，呈現(xiàn)出直觀的污染分布情況，進(jìn)而分析污染源可能所處的區(qū)域。

3 應(yīng)用效果分析

3.1 監(jiān)測效果對比

為了對所建立的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大氣污染環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的有效性進(jìn)行驗(yàn)證，設(shè)計(jì)在現(xiàn)實(shí)的大氣環(huán)境中，利用所建立的系統(tǒng)與傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)對大氣環(huán)境污染氣體進(jìn)行監(jiān)測，并對比其效果。有關(guān)參數(shù)設(shè)定：將網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)與實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的交互側(cè)接口設(shè)置為0，各類大氣傳感器控制命令的概率設(shè)置為5，充電下游端口的使用電壓為0.3～2.5 V。

通過實(shí)驗(yàn)所獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看出，所建立的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大氣污染環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)在相同時(shí)間內(nèi)能夠監(jiān)測出更多的大氣污染源。當(dāng)監(jiān)測時(shí)長達(dá)到10 min時(shí)，所建立的監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測出大氣環(huán)境可能存在9個(gè)污染源，但是傳統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果僅得到3個(gè)污染源；當(dāng)監(jiān)測時(shí)長達(dá)到20 min時(shí)，所建立的監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測出大氣環(huán)境可能存在20個(gè)污染源，但是傳統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果僅得到6個(gè)污染源；當(dāng)監(jiān)測時(shí)長達(dá)到60 min時(shí)，所建立的監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測出大氣環(huán)境可能存在70個(gè)污染源，但是傳統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果僅得到25個(gè)污染源。通過結(jié)果分析表明，所建立的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大氣污染環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)具有更高的監(jiān)測效率，監(jiān)測大氣污染源能力更強(qiáng)且更準(zhǔn)確。

圖5 2種方法監(jiān)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比Fig.5 Comparison of two methods of monitoring experimental results

3.2 污染物濃度變化

應(yīng)用所建立的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大氣污染環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)對中國北方某城市進(jìn)行四季主要污染物的監(jiān)測，包括對PM2.5(表示在大氣中當(dāng)量直徑不超過2.5 μm的顆粒物)、PM10(表示在大氣中的可吸入顆粒物)、NO2以及SO2等，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，該城市的大氣環(huán)境受季節(jié)的影響效果較為顯著，其中在夏季所有污染物的濃度均為全年最低水平，在春季所有污染物的濃度處于中等水平，在冬季PM2.5、NO2以及SO2污染物的濃度均高于秋季。因在秋季氣溫大幅度降低，空氣沉積在地表，造成污染物難以擴(kuò)散，且冬季存在雨雪天氣，在一定程度上對空氣有一定凈化作用，也造成其污染物濃度低于秋季；然而在秋季PM10污染物的濃度均高于冬季，可能由于在秋季對落葉枯枝焚燒量增大造成。在冬季因?yàn)闅鉁氐慕档停粌H造成大氣層產(chǎn)生逆溫效應(yīng)，導(dǎo)致空氣中污染物難以擴(kuò)散；生活中供暖增加，造成燃煤量大大上升，進(jìn)而產(chǎn)生大量的污染物，這些原因共同導(dǎo)致冬季污染物濃度增加，大氣污染加重。

此外，在該城市中PM2.5以及PM10在空氣質(zhì)量最佳的夏季其濃度也存在超標(biāo)現(xiàn)象，且在全年中大氣污染物占比最大的污染源成為該城市大氣污染的主要源頭。NO2以及SO2污染物的濃度在春天和夏天仍處于較低的水平，但在冬天和夏天其濃度大幅度上升，造成大氣污染大大加重。

4 討論

4.1 空氣污染主要原因

一個(gè)地方的空氣污染主要是由自然環(huán)境和人為作用引起的。其中，自然環(huán)境因素中受到季節(jié)、地形的影響較為嚴(yán)重。文中所涉及的城市地處北方，在冬天環(huán)境溫度低，大氣產(chǎn)生逆溫現(xiàn)象，造成污染物沉積在地面附近，較難擴(kuò)散，并且隨著在冬天供暖需求的增加，產(chǎn)生了大量的污染物，進(jìn)而共同造成該城市冬天污染嚴(yán)重。在夏天溫度上升、空氣流通大且雨水充足，因此對大氣環(huán)境有一定的凈化作用。此外，由于該地處于黃河沖積平原，其土地存在大量的細(xì)砂以及粉細(xì)砂，在天氣比較干燥的春天和秋天中，該粉塵容易飄散在大氣中，進(jìn)而在一定程度上加劇了空氣污染的程度。

隨著人們科技生活水平的持續(xù)提高，人為因素對環(huán)境污染的影響也越來越大。城市建設(shè)的腳步越來越快，城市中拆遷、施工、建設(shè)等行為頻繁，引起大氣環(huán)境的顆粒物大大增加。同時(shí)，因建筑物越來越密集，高度也越來越高，也造成城市空氣流動(dòng)大大下降。此外，由于工廠以及車輛的持續(xù)增加，其廢氣排放也成為加重大氣污染程度的重要因素。

4.2 大氣污染治理方法

隨著社會(huì)的持續(xù)發(fā)展，國民生活水平和經(jīng)濟(jì)收入持續(xù)提高，同時(shí)也對大氣環(huán)境造成了一定破壞。

針對該城市所存在的主要污染物PM2.5以及PM10，應(yīng)對建設(shè)工地進(jìn)行有效的管理。例如對工地堆放的石頭、沙子等工地用料進(jìn)行遮蓋，防止塵土隨風(fēng)飄揚(yáng)；在工地周邊通過噴灑水的方式降低塵土的擴(kuò)散。此外，應(yīng)合理規(guī)劃城市的現(xiàn)代化建設(shè)，減少大拆大建，合理安排拆遷和建設(shè)，有效降低空氣污染以及資源浪費(fèi)。

針對大量汽車尾氣的排放，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行超標(biāo)機(jī)動(dòng)車的報(bào)廢，倡導(dǎo)鼓勵(lì)用戶購買符合新環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的汽車，禁止污染嚴(yán)重的機(jī)動(dòng)車上路。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，新能源汽車也逐漸發(fā)展，應(yīng)進(jìn)一步大力推廣新能源汽車的使用。通過優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，減少污染產(chǎn)業(yè)，大力發(fā)展環(huán)保產(chǎn)業(yè)。大力發(fā)展電子商務(wù)產(chǎn)業(yè)，并把該產(chǎn)業(yè)和傳統(tǒng)的行業(yè)相結(jié)合，大力提高不同產(chǎn)業(yè)之間的配合，構(gòu)建跨領(lǐng)域的新興環(huán)保產(chǎn)業(yè)鏈。

加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，能夠加快科技進(jìn)步，驅(qū)動(dòng)行業(yè)升級，提高行業(yè)競爭力，實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)以及環(huán)境保護(hù)的可持續(xù)性發(fā)展。

5 結(jié)論

本文主要研究了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大氣污染環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。首先對基于射頻識別的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)工作原理進(jìn)行了分析，并建立由感應(yīng)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)、實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)以及PCR干擾模塊系統(tǒng)構(gòu)成的大氣污染監(jiān)測系統(tǒng)。并在現(xiàn)實(shí)的大氣環(huán)境中，利用所建立的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)大氣污染環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)和傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)對大氣環(huán)境污染氣體進(jìn)行監(jiān)測，其結(jié)果表明所提系統(tǒng)能夠在更短的時(shí)間內(nèi)監(jiān)測出更多的污染物，具有更高的監(jiān)測效率，監(jiān)測大氣污染源能力更強(qiáng)且更準(zhǔn)確。此外，利用該方法對北方某城市進(jìn)行分析得出，該城市大氣污染受到季節(jié)變化的影響顯著，呈現(xiàn)出夏季空氣質(zhì)量好、冬季較差的結(jié)果。根據(jù)空氣環(huán)境污染的主要影響因素，提出相應(yīng)的優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、提倡使用新能源汽車等治理方法，加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)，實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)以及環(huán)境的可持續(xù)性發(fā)展。