薛 帥, 郭自曉

(1.陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院，陜西 西安 710000；2.河北師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，河北 石家莊 050024； 3.河北省環(huán)境演變與生態(tài)建設(shè)實驗室，河北 石家莊 050024)

大氣污染是公眾關(guān)注度高、影響嚴重的環(huán)境問題之一[1-2].在諸多空氣污染物中,微顆粒粒徑小、成分復(fù)雜、毒性成分多,污染危害較為顯著,已成為專家學(xué)者關(guān)注的焦點[3-4].科研工作者對微顆粒的主要來源[5-7]、微顆粒成分[8-9]及其對身體健康的影響等開展了一系列廣泛而深入的研究[10-12].大氣微顆粒采集是以上研究開展的重要環(huán)節(jié),樣品品質(zhì)對研究結(jié)論的準(zhǔn)確性和導(dǎo)向性有較大影響.目前,大氣微顆粒采樣的主要方法:將濾膜直接暴露在大氣中或采樣器將空氣吸入密閉空間,利用微顆粒的重力作用進行自然沉降,用濾膜收集顆粒物,采樣完成后取回濾膜,在實驗室進行樣品后處理[13].大氣微顆粒樣品為特定周期內(nèi)的綜合采樣結(jié)果,但是采樣樣品及外圍因素(溫度、濕度等)數(shù)據(jù)在時間尺度上的準(zhǔn)確性和一致性不足.

近年來，隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、傳感器技術(shù)的進步,大氣采樣、監(jiān)測技術(shù)正朝著智能化、低成本化和小型化方向發(fā)展[14].針對大氣微顆粒采樣及時間尺度上外圍因素(溫度、濕度等)動態(tài)監(jiān)測的需要,結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)及傳感器技術(shù),筆者設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大氣微顆粒環(huán)境監(jiān)測及采樣裝置,實現(xiàn)了時間尺度上樣品質(zhì)量、樣品形成過程監(jiān)測及環(huán)境數(shù)據(jù)采集,并進行了裝置實驗測試.本裝置的設(shè)計研發(fā)可以提高大氣微顆粒采樣過程在時間尺度上的可視化性,實現(xiàn)長航時持續(xù)監(jiān)測采樣,為環(huán)境科研工作者提供高品質(zhì)、高質(zhì)量大氣微顆粒樣品.

1 系統(tǒng)原理設(shè)計

大氣微顆粒環(huán)境監(jiān)測及采樣裝置主要由3個模塊單元組成,即搭載平臺單元、采樣單元和自主供電單元,如圖1所示.搭載平臺單元為采樣單元、自主供電單元提供固定安裝平臺,為自主供電單元提供保護屏障.采樣單元主要由微重力傳感器、溫濕度傳感器、Arduino模塊、4G通訊模塊組成.自主供電單元由太陽能板、電源管理板、蓄電池組成,電源管理板對電源輸入、輸出進行綜合管理,太陽光較強時為蓄電池充電,太陽光較弱或沒有輸入電能時,由蓄電池對采樣單元進行供電.

樣品重力作用下微重力傳感器內(nèi)應(yīng)變橋產(chǎn)生電壓差信號,電壓信號經(jīng)過A/D模塊轉(zhuǎn)換為24位質(zhì)量數(shù)字信號.質(zhì)量數(shù)字信號與溫濕度傳感器數(shù)字信號,分別通過對應(yīng)TTL串口上傳采樣數(shù)據(jù)至Arduino模塊.Arduino模塊對采樣數(shù)字信號進行處理,轉(zhuǎn)換為十進制溫濕度、樣品質(zhì)量數(shù)據(jù),通過TTL串口發(fā)送至4G通訊模塊,將溫濕度及樣品質(zhì)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為MQTT協(xié)議格式上傳至阿里云平臺,實現(xiàn)樣品質(zhì)量和溫濕度數(shù)據(jù)的實時采集與上傳.

圖1 大氣微顆粒環(huán)境監(jiān)測及采樣系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic Diagram Showing Environmental Monitoring and Sampling System of Atmospheric Microparticle

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

搭載平臺是大氣微顆粒環(huán)境監(jiān)測及采樣裝置的機械結(jié)構(gòu)部分,為采樣單元、自主供電單元、樣品瓶等提供安裝平臺,滿足室外放置、應(yīng)對極端天氣的結(jié)構(gòu)強度要求.同時,功能上不僅要求其能夠根據(jù)樣品瓶形狀靈活調(diào)整高度,而且要求裝置內(nèi)通風(fēng)良好,削減密閉空間對溫濕度傳感器采樣準(zhǔn)確度的影響.

搭載平臺的結(jié)構(gòu)強度決定了其應(yīng)對極端天氣的能力.為了減少裝置所用材料對樣品的污染,結(jié)合材料強度等因素,結(jié)構(gòu)采用鋁合金材料.如圖2所示,為了滿足室外簡易安裝,采用分段3040鋁合金型材作為框架主材料,裝置長、寬、高分別為600，600，800 mm.鋁合金型材之間依靠鋁合金角件進行固定.裝置上下、前后、左右安裝厚度為0.8 mm鋁合金板材.裝置上面為600 mm×600 mm鋁合金板材,中間開300 mm孔放置不銹鋼漏斗.前后、左右安裝800 mm×600 mm鋁合金板材,板材上開400 mm×200 mm方形孔,安裝防水通風(fēng)格柵,確保裝置內(nèi)通風(fēng).

裝置內(nèi)兩側(cè)為平臺安裝支撐板,支撐板上開均布圓孔,平臺安裝支撐板通過角件與開孔支撐板連接,可以實現(xiàn)儀器搭載平臺的高度調(diào)節(jié)；儀器搭載平臺通過角件與平臺安裝支撐板連接.

圖2 裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure Drawing of the Device

2.2 采樣單元硬件設(shè)計

采樣系統(tǒng)為整個裝置的核心部件,決定了裝置采樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與精度.如圖3所示,采樣微重力傳感器HX711采用應(yīng)變橋結(jié)構(gòu),重力作用下應(yīng)變橋電壓發(fā)生變化,質(zhì)量數(shù)據(jù)電壓信號通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為24位數(shù)字信號,再通過GPIO接口接入Arduino平臺；溫濕度傳感器SHT30數(shù)據(jù)通過I2C接口與Arduino 平臺進行數(shù)據(jù)通訊,對環(huán)境溫濕度進行實時采樣.Arduino平臺將質(zhì)量、溫濕度等數(shù)據(jù)壓縮為JOSN數(shù)據(jù)格式,通過RS232接口將JOSN壓縮數(shù)據(jù)傳遞給4G通訊模塊(銀達爾),上傳至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺,通過云端大數(shù)據(jù)網(wǎng)站實時顯示.

采樣單元由自主供電單元提供電源,10 W太陽能板電壓通過5 V穩(wěn)壓模塊轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定電壓,接入太陽能管理模塊,由太陽能管理模塊對輸入電能進行分配.太陽光較強時,電能對Arduino，Air724模塊供電,并給聚合物電池充電；太陽光較弱時,由聚合物電池為Arduino，Air724模塊供電.

圖3 采樣系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic Diagram Showing Sampling System

3 實驗測試

按照上述裝置系統(tǒng)設(shè)計方案,將加工好的零部件在實驗室內(nèi)進行裝配,并進行系統(tǒng)功能測試.采樣數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)通過4G網(wǎng)絡(luò)上傳至阿里云平臺,可以對設(shè)備狀態(tài)、采樣數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控,如圖4所示.

圖4 采樣數(shù)據(jù)及狀態(tài)監(jiān)控平臺Fig.4 Sampling Data and Status Monitoring Platform

將裝置放置于實驗室陽臺,進行溫濕度傳感器、自主供電單元、采樣單元長時間測試,以驗證技術(shù)方案的可靠性.圖5給出了2021年1月11～13日采集到的室內(nèi)溫濕度及樣品質(zhì)量數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)顯示,2021年1月12日早8時，實驗室內(nèi)溫度約12 ℃、濕度約32 %，隨著太陽光直射，實驗室內(nèi)溫度上升、濕度下降,樣品瓶內(nèi)水分揮發(fā)，樣品質(zhì)量減少,曲線呈下降趨勢；12時左右,因?qū)嶒炇夷蟼?cè)有建筑物遮擋,陽光無法直曬,實驗室內(nèi)溫度由17 ℃開始下降,濕度由27.5 %開始加大,樣品周圍環(huán)境水分冷凝,樣品質(zhì)量隨之增大；16時左右,太陽繞過南側(cè)建筑物直射陽臺,實驗室內(nèi)溫度有所回升,濕度有所下降；隨著太陽西落,實驗室內(nèi)溫度回落至約12.5 ℃、濕度約為32 %,樣品質(zhì)量基本處于穩(wěn)定,約為1 446 g.研究檢測到的溫濕度對應(yīng)關(guān)系與關(guān)亞楠等[15]的數(shù)據(jù)基本一致,進一步驗證了該裝置采樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性.

圖5 溫濕度、樣品質(zhì)量關(guān)系圖Fig.5 The Diagram Showing Temperature,Humidity and Sample Mass

4 結(jié) 論

1) 針對大氣微顆粒采樣和環(huán)境參數(shù)動態(tài)監(jiān)測的需要,對大氣微顆粒環(huán)境監(jiān)測及采樣裝置進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計,以滿足采樣系統(tǒng)安裝需求和室外安裝強度要求.結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)與傳感器技術(shù),設(shè)計基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采樣系統(tǒng),可以實現(xiàn)時間尺度上樣品質(zhì)量、樣品形成過程監(jiān)測和環(huán)境數(shù)據(jù)采集.

2) 對裝置采樣系統(tǒng)進行實驗測試,實驗數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確呈現(xiàn)環(huán)境溫度、濕度變化,通過實驗發(fā)現(xiàn)，樣品質(zhì)量隨著環(huán)境溫度、濕度有所變化,主要是由空氣中水分的蒸發(fā)與冷凝所致,對水分蒸發(fā)、冷凝過程中環(huán)境參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系研究有一定的參考價值.