李 鋒

（安徽科創(chuàng)中光科技股份有限公司，安徽 合肥 230088）

大氣監(jiān)測是為了獲取大氣環(huán)境的相關數(shù)據(jù)，以保障人類的生產(chǎn)和生活環(huán)境的安全。傳統(tǒng)大氣監(jiān)測方法存在準確性低和實時性差的問題，無法滿足現(xiàn)代社會對大氣環(huán)境監(jiān)測的需求。為了解決這些問題，機電一體化大氣監(jiān)測技術應運而生。該技術通過將機械與電子技術有機地結(jié)合，實現(xiàn)了大氣監(jiān)測設備的自動化、高精度和實時性。

1 傳統(tǒng)大氣監(jiān)測方法的問題

1.1 準確性低

傳統(tǒng)大氣監(jiān)測方法的準確性受到了一些限制。

首先，傳統(tǒng)方法主要通過固定的監(jiān)測站點來收集數(shù)據(jù)，這可能導致監(jiān)測數(shù)據(jù)的局限性和偏差。由于監(jiān)測站點的布設通常是基于特定的考慮因素，如地理位置和人口密度，這可能導致監(jiān)測數(shù)據(jù)無法全面反映整個區(qū)域的大氣污染狀況。

其次，傳統(tǒng)方法通常使用傳感器和儀器來測量大氣污染物的濃度。然而，這些傳感器和儀器在測量過程中可能受到環(huán)境條件、儀器故障和人為誤操作等因素的干擾，從而影響監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性。

此外，傳統(tǒng)方法無法準確測量一些微小濃度的污染物，導致監(jiān)測結(jié)果的不準確。

1.2 實時性差

傳統(tǒng)大氣監(jiān)測方法的實時性也存在一些問題。傳統(tǒng)方法的數(shù)據(jù)收集和分析通常需要較長的時間，從而導致監(jiān)測結(jié)果的延遲。這種延遲可能會影響相關決策的制定和實施，從而無法及時采取有效的措施來應對大氣污染問題。此外，傳統(tǒng)方法的數(shù)據(jù)傳輸和處理過程中可能存在一些瓶頸和障礙，導致監(jiān)測數(shù)據(jù)的時效性受到限制。

2 機電一體化大氣監(jiān)測技術的原理

2.1 傳感器的選擇與設計

機電一體化大氣監(jiān)測技術是一種新型的監(jiān)測技術，其原理是通過傳感器將氣體成分轉(zhuǎn)換為電信號，然后將這些信號輸入計算機進行分析處理。在這個技術中，傳感器的選擇和設計是非常重要的一環(huán)。（1）傳感器的選擇。選擇傳感器時需要考慮傳感器的靈敏度、可靠性、響應時間以及適應的工作環(huán)境等因素。在大氣監(jiān)測中，常用的傳感器有光學傳感器、電化學傳感器、熱敏傳感器、紅外傳感器等。不同類型的傳感器適用于不同的氣體成分。（2）傳感器的設計。傳感器的設計需要考慮到傳感器的靈敏度、工作溫度、響應時間、抗干擾性等因素。在大氣監(jiān)測中，傳感器的設計需要考慮到監(jiān)測的氣體成分和其濃度范圍，同時也需要考慮到環(huán)境因素對傳感器的影響。（3）傳感器的性能測試。在傳感器設計完成后，需要對其進行性能測試，包括靈敏度、響應時間、抗干擾性等指標的測試。只有在傳感器性能測試通過后，才能進行后續(xù)的實驗和監(jiān)測工作。（4）傳感器的調(diào)試和優(yōu)化。在實際應用中，傳感器可能會受到環(huán)境等因素的影響，導致監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差。因此，在實際應用中需要對傳感器進行調(diào)試和優(yōu)化，以提高其精度和穩(wěn)定性。傳感器的選擇和設計是機電一體化大氣監(jiān)測技術中重要的一環(huán)，只有選擇合適的傳感器，并對其進行設計、測試、調(diào)試和優(yōu)化，才能提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的精度和可靠性[1]。

2.2 數(shù)據(jù)采集與處理

數(shù)據(jù)采集與處理是機電一體化大氣監(jiān)測技術的基礎環(huán)節(jié)。在大氣監(jiān)測過程中，主要通過傳感器和儀器設備對目標物理量進行測量和監(jiān)測。數(shù)據(jù)采集主要包括傳感器的選擇和布置，數(shù)據(jù)的實時采集和存儲。而數(shù)據(jù)處理則包括數(shù)據(jù)的預處理、特征提取和數(shù)據(jù)分析等步驟。（1）數(shù)據(jù)的實時采集與存儲。在大氣監(jiān)測過程中，實時采集數(shù)據(jù)是非常重要的。通過合理的傳感器布置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計，可以實現(xiàn)對大氣中各種物理量的實時監(jiān)測。同時，為了保證數(shù)據(jù)的完整性和可靠性，需要將采集到的數(shù)據(jù)進行實時存儲，以便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析。（2）數(shù)據(jù)的預處理。在大氣監(jiān)測中，采集到的數(shù)據(jù)往往存在噪聲和異常值等問題。為了提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可靠性，需要對采集到的數(shù)據(jù)進行預處理。預處理的步驟包括數(shù)據(jù)的濾波、去噪和異常值的檢測與修正等操作，以消除干擾和提取有效信息。（3）數(shù)據(jù)的特征提取。在大氣監(jiān)測中，數(shù)據(jù)的特征提取是非常重要的。通過對采集到的數(shù)據(jù)進行特征提取，可以得到與大氣污染相關的特征參數(shù)，進而進行大氣污染的分析和評估。特征提取的方法包括時域特征提取、頻域特征提取和小波分析等。（4）數(shù)據(jù)的分析與應用。通過對采集到的數(shù)據(jù)進行分析，可以得到大氣污染的分布規(guī)律和變化趨勢。同時，還可以根據(jù)分析結(jié)果，制定相應的大氣污染治理措施和環(huán)境保護策略。數(shù)據(jù)的應用包括大氣污染預警、環(huán)境監(jiān)測和決策支持等方面[2]。

3 機電一體化大氣監(jiān)測設備的結(jié)構(gòu)與功能

3.1 硬件結(jié)構(gòu)

機電一體化大氣監(jiān)測設備的硬件結(jié)構(gòu)包括傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊和顯示模塊。傳感器負責采集大氣中的溫度、濕度、氣壓和氣體濃度等數(shù)據(jù)。傳感器的種類和數(shù)量根據(jù)監(jiān)測需求進行選擇，并通過接口與數(shù)據(jù)采集模塊相連。數(shù)據(jù)采集模塊負責接收傳感器采集的數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)處理算法進行處理，提取有用信息。該模塊可以采用微處理器或者嵌入式系統(tǒng)，具有較強的數(shù)據(jù)處理和存儲能力。控制模塊用于控制整個設備的運行和參數(shù)設置。它可以根據(jù)需要調(diào)整傳感器的采樣頻率、報警閾值等參數(shù)，并與數(shù)據(jù)采集模塊進行通信。顯示模塊用于將監(jiān)測結(jié)果直觀地展示給用戶。它可以是液晶顯示屏、LED 顯示屏或者連接到計算機的顯示器。用戶可以通過顯示模塊查看當前大氣條件和歷史數(shù)據(jù)。

3.2 軟件功能

機電一體化大氣監(jiān)測設備的軟件功能主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)展示。數(shù)據(jù)采集功能負責定時從傳感器讀取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊。采集的數(shù)據(jù)包括溫度、濕度、氣壓和氣體濃度等。數(shù)據(jù)處理功能根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)進行處理，提取出有用的信息。例如，根據(jù)溫度和濕度數(shù)據(jù)計算露點溫度，根據(jù)氣壓數(shù)據(jù)計算海拔高度。數(shù)據(jù)存儲功能將處理后的數(shù)據(jù)存儲到內(nèi)部存儲器或者外部存儲設備中。存儲的數(shù)據(jù)可以用于后續(xù)分析和比較。數(shù)據(jù)展示功能將監(jiān)測結(jié)果以直觀的方式展示給用戶。用戶可以通過顯示屏查看當前的大氣條件，例如溫度、濕度和氣體濃度。同時，用戶也可以查看歷史數(shù)據(jù)，以了解過去一段時間內(nèi)的大氣變化情況告警與預警：根據(jù)數(shù)據(jù)的變化趨勢，對大氣質(zhì)量進行告警與預警，提醒用戶注意大氣污染問題。遠程控制與管理：用戶可以通過遠程控制臺對設備進行控制和管理，例如設備的開關、參數(shù)設置等[3]。

4 機電一體化大氣監(jiān)測技術的應用案例

4.1 氣象監(jiān)測

1.氣象臺站自動化監(jiān)測。氣象臺站是氣象監(jiān)測的重要設施，可以監(jiān)測氣象要素的變化情況。傳統(tǒng)的氣象臺站需要人工進行監(jiān)測，效率低下且存在誤差。而機電一體化大氣監(jiān)測技術可以實現(xiàn)氣象臺站的自動化監(jiān)測，大大提高了監(jiān)測的效率和精度。例如，上海市氣象局采用機電一體化大氣監(jiān)測技術對氣象臺站進行自動化監(jiān)測，可以實時監(jiān)測氣象要素的變化情況，提高了監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性。

2.氣象雷達監(jiān)測。氣象雷達是一種測量大氣中降水和云的工具，能夠提供大氣降水和云的三維結(jié)構(gòu)信息，是氣象監(jiān)測領域的重要設施。機電一體化大氣監(jiān)測技術可以應用于氣象雷達的監(jiān)測。例如，中國氣象局利用機電一體化大氣監(jiān)測技術對氣象雷達進行監(jiān)測，可以實時監(jiān)測氣象雷達的運行狀態(tài)和數(shù)據(jù)質(zhì)量，提高了監(jiān)測結(jié)果的準確性和可靠性[4]。

3.氣象探空儀監(jiān)測。氣象探空儀是一種測量大氣垂直結(jié)構(gòu)的儀器，通過探空可以獲取大氣溫度、濕度、氣壓、風速等參數(shù)。機電一體化大氣監(jiān)測技術可以應用于氣象探空儀的監(jiān)測。例如，中國科學院大氣物理研究所利用機電一體化大氣監(jiān)測技術對氣象探空儀進行監(jiān)測，可以實時監(jiān)測探空儀的運行狀態(tài)和數(shù)據(jù)質(zhì)量，提高了監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性。

4.2 工業(yè)生產(chǎn)

工業(yè)生產(chǎn)過程中的排放物是大氣污染的主要來源之一。為了確保工業(yè)生產(chǎn)不對環(huán)境造成過大的影響，監(jiān)測工業(yè)排放物的種類和濃度是至關重要的。傳統(tǒng)的監(jiān)測方法需要人工采樣和實驗室分析，不僅費時費力，還無法實時監(jiān)測。而機電一體化大氣監(jiān)測技術通過傳感器實時采集數(shù)據(jù)，并通過自動化系統(tǒng)進行處理和分析，大大提高了監(jiān)測效率和準確性。某工業(yè)企業(yè)在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的廢氣，需要對廢氣中的污染物進行監(jiān)測和控制。傳統(tǒng)的監(jiān)測方法需要人工采樣和實驗室分析，周期長且無法實時監(jiān)測。為了解決這個問題，該企業(yè)引入了機電一體化大氣監(jiān)測技術。該企業(yè)安裝了多個傳感器，在生產(chǎn)現(xiàn)場對廢氣進行實時監(jiān)測。傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)進行處理和分析，結(jié)果通過通信網(wǎng)絡傳輸?shù)綌?shù)據(jù)分析軟件。數(shù)據(jù)分析軟件對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析，提供實時的監(jiān)測報告和預警信息。通過機電一體化大氣監(jiān)測技術，該企業(yè)實現(xiàn)了廢氣的實時監(jiān)測和控制。監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性和及時性得到了大幅提升，工業(yè)生產(chǎn)對環(huán)境的影響得到了有效的控制。

4.3 城市規(guī)劃

1.建立大氣監(jiān)測網(wǎng)絡。機電一體化大氣監(jiān)測技術可以通過建立監(jiān)測網(wǎng)絡，實現(xiàn)對城市空氣質(zhì)量的全面監(jiān)測。例如，可以在城市主要道路、公園、商業(yè)區(qū)等地點安裝大氣監(jiān)測設備，實時監(jiān)測空氣中的PM2.5、PM10、SO2、NOx 等有害物質(zhì)含量。這些監(jiān)測數(shù)據(jù)可以通過網(wǎng)絡傳輸，集中到監(jiān)測中心，進行數(shù)據(jù)分析和綜合評估。

2.優(yōu)化城市交通。機電一體化大氣監(jiān)測技術可以對城市交通進行監(jiān)測，實現(xiàn)交通優(yōu)化。例如，可以通過監(jiān)測交通狀況，分析擁堵點和瓶頸路段，提出交通優(yōu)化方案，減少車輛排放，降低空氣污染。此外，還可以通過建立公共交通系統(tǒng)，鼓勵市民減少私家車使用，進一步降低污染物排放。

3.綠化城市。機電一體化大氣監(jiān)測技術可以監(jiān)測城市內(nèi)的植被狀況，實現(xiàn)綠化城市。例如，可以通過監(jiān)測植被覆蓋率、綠化面積等指標，提出綠化方案，增加城市綠化率，吸收大氣中的有害物質(zhì)，改善城市空氣質(zhì)量。

4.建筑環(huán)保設計。機電一體化大氣監(jiān)測技術可以監(jiān)測建筑物的環(huán)保狀況，實現(xiàn)建筑環(huán)保設計。例如，可以通過監(jiān)測建筑物的能耗、廢氣排放等指標，提出建筑環(huán)保設計方案，降低建筑物對環(huán)境的影響，減少空氣污染。

4.4 災害預警

機電一體化大氣監(jiān)測技術包括傳感器、數(shù)據(jù)采集、通訊、處理和展示等多個環(huán)節(jié)。傳感器可以實時采集大氣中的氣象參數(shù)、污染物濃度等信息，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以將這些信息進行采集，同時將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行處理，最終將處理結(jié)果以圖形或報警的形式展示給用戶。在災害預警中，機電一體化大氣監(jiān)測技術可以通過實時監(jiān)測大氣質(zhì)量，預測空氣污染、霧霾等天氣災害的發(fā)生。同時，還可以通過監(jiān)測溫度、濕度、風速等氣象參數(shù)，預測暴雨、臺風、龍卷風等自然災害的發(fā)生。這些預測結(jié)果可以及時提醒相關部門和群眾，采取有效的措施，減少人員傷亡和財產(chǎn)損失。機電一體化大氣監(jiān)測技術在災害預警中的應用有很多成功案例。例如，在2019 年的“污染防治攻堅戰(zhàn)”中，北京市啟動了機電一體化大氣監(jiān)測技術，通過對PM2.5 等污染物濃度的實時監(jiān)測和預測，及時采取措施降低污染物濃度，有效減少了空氣污染對人民身體健康的影響。

4.5 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)

1.農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在其生產(chǎn)過程中，需要關注大氣污染物的濃度和氣象參數(shù)等因素的變化，以保證農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量和安全。機電一體化大氣監(jiān)測技術可以實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的實時監(jiān)測，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供精準的環(huán)境數(shù)據(jù)。

2.農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測。農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量是保障食品安全的重要因素，在農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)、加工和運輸過程中需要進行嚴格的監(jiān)測。機電一體化大氣監(jiān)測技術可以對大氣污染物的濃度進行準確的測量，為農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量監(jiān)測提供數(shù)據(jù)支持。

3.農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程監(jiān)測。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，需要關注氣象參數(shù)的變化，以保證作物的正常生長和發(fā)育。機電一體化大氣監(jiān)測技術可以實現(xiàn)對氣象參數(shù)的監(jiān)測，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程提供數(shù)據(jù)支持[5]。

5 結(jié)論

機電一體化大氣監(jiān)測技術通過選擇和設計合適的傳感器，以及數(shù)據(jù)采集與處理的方法，可以實現(xiàn)對大氣環(huán)境的全面監(jiān)測。通過氣象監(jiān)測、工業(yè)生產(chǎn)、城市規(guī)劃、災害預警和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等應用案例的驗證，證明了該技術的可行性和實用性。機電一體化大氣監(jiān)測技術具有較高的準確性和實時性，可以為人類提供更好的生產(chǎn)和生活環(huán)境。