鄉鎮空氣自動監測站建設探討

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摘要：鄉鎮地區工業水平提升、交通運輸事業發展，加速了空氣環境污染局面，有必要在鄉鎮地區設立空氣自動監測站，為改善鄉鎮空氣質量與生態水平提供依據。為此，從硬件架構與軟件功能兩個方面實現了鄉鎮空氣自動監測站建設，監測站硬件架構包括空氣采樣模塊、數據采集模塊、數據處理模塊、無線通信模塊等部分，以各種類型傳感器采集空氣質量數據，預處理后傳輸到人機交互端與上級監測中心；監測站集成了數據可視化查詢、監測設備狀態管理、監測系統校對等軟件功能，滿足了管理人員對數據的多元化應用需求。

關鍵詞：鄉鎮；空氣質量；數據處理；自動監測

空氣是人類賴以生存的自然資源，空氣環境污染影響人類的生存質量、威脅人類身體健康。隨著我國社會主義新農村建設、城鄉一體化進程的加快，鄉鎮地區加工企業逐漸開辦、車輛運輸力度不斷加大，為鄉鎮地區空氣環境帶來一定負擔，工業較為發達的鄉鎮地區霧霾天氣頻繁出現[1]。為此，社會發展過程中鄉鎮地區的空氣環境質量問題亟待得到關注和解決。由于城市環境質量問題的日益嚴峻，空氣自動監測站點已經在全國范圍內廣泛布點，我國鄉鎮地區空氣質量監測也應提上日程[2]。空氣自動監測站建設提高了區域空氣質量監測的智能化水平，無須人工獲取空氣質量數據，并且保障了空氣質量數據采集的精準度。鄉鎮空氣自動監測站為政府管理空氣環境提供科學的決策依據，對于鄉鎮地區污染物排查、優化空氣環境質量具有建設性意義。

1鄉鎮空氣自動監測站的硬件設計

采集精準、真實的空氣環境數據是鄉鎮空氣自動監測站的基本要求，其次要實現監測站空氣質量數據的自動化與智能化采集，消除人工測量控制污染含量的弊端。本文設計的空氣自動監測站的硬件架構如圖1所示?？諝獠蓸幽K、數據采集模塊、數據處理模塊、無線通信模塊、人機交互模塊是空氣監測站的基本構成，各環節相互配合實現鄉鎮地區空氣的自動采樣、自動處理與分析[3]，將分析結果作為空氣質量管理的決策依據。此外，PM2.5、PM10、臭氧、二氧化硫、氮氧化物和一氧化碳是空氣自動監測站的主要監測對象與內容，涵蓋了高頻污染元素和氣象因子?？諝獠蓸幽K布局了多類型傳感器采集污染物濃度、溫濕度、風速等空氣質量數據；監測站利用定位模塊獲取監測地的時空信息，利用采集的空氣質量數據構建評價模型，通過無線通信模塊、WiFi模塊將處理后的結果和時空信息一同發送到人機交互界面和上級監測中心[4]。監測站要執行全天候不間斷的自動采樣與分析任務，向顯示端實時傳輸空氣質量監測結果。鄉鎮空氣自動監測站的硬件架構如圖1所示。（1）A/D數據轉換模塊：負責將空氣采樣模塊獲取的模擬信號轉換為數字信號，為處理模塊提供正確格式的空氣質量數據。（2）數據處理模塊：系統自動采集空氣質量信息過程中難免出現數據缺失、數據冗余、數據噪聲過大等問題，需要對原始數據進行預處理，提高后期數據挖掘與分析的精準度。數據處理模塊基于最鄰近插補法填補數據缺失部分，采用中值濾波法消除冗余數據與數據噪聲，恢復控制質量數據采集的完整性。（3）空氣采樣模塊：此模塊集成了光學空氣質量傳感器、溫濕度傳感器、壓力傳感器、大氣傳感器，旨在采集全面的空氣質量參數。光學空氣質量傳感器能夠對空氣中的污染因子進行采集，其原理是根據空氣樣品的脈沖輸出情況判斷污染濃度，進而將采集的光信號轉換為數據信號，傳輸到數據采集模塊[5]。大氣傳感器利用A/D轉換模塊實現氣壓模擬值向數字信號的轉換，數字信號以無線通信模塊和WiFi模塊為中介傳輸至數據處理模塊進行集中管理。（4）通信模塊：包括GPRS無線通信模塊和WiFi無線模塊兩個部分，主要負責傳感器與數據采集模塊之間的數據傳輸、數據處理模塊與顯示終端之間的數據傳輸。（5）人機交互模塊：即液晶顯示模塊，矩陣式鍵盤和LCD1602液晶顯示屏是此模塊的核心構件，空氣自動監測系統的狀態信息通過人機交互界面實時顯示，PM2.5、PM10、臭氧、二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳污染因子的濃度實時呈現在界面之中，利用鍵盤隨時調整系統的參數設置。

2空氣自動監測站的軟件功能設計

本文設計的鄉鎮空氣自動監測站的軟件功能包括空氣質量數據可視化查詢、監測設備狀態管理、監測系統校對、系統參數設置、監測環境控制等等，詳細的軟件功能如圖2所示。鄉鎮空氣自動監測站是以監測子站的形式存在，采集的數據需要上傳至上級監測中心進行空氣質量分析決策，所以，為良好配合上級監管中心的工作，此系統配備了數據傳輸、監測環境參數修正等功能，進一步對鄉鎮地區空氣質量數據進行查詢統計、生成報表、備份恢復等操作[6]。在數據查詢功能中，用戶可以獲取當地任意時間點的空氣監測的均值、上限值、下限值、樣本數量、污染程度等信息，以空氣質量日報周報、鄉鎮達標率統計、污染物濃度統計、空氣質量級別等形式表達，以電子表格、紙質表格的形式輸出。此外，系統軟件提供了可視化圖形顯示功能，將一周、一個月、一年的空氣質量信息以曲線的形式呈現，便于直觀獲取某地某時段的空氣質量情況。

3空氣自動監測站的日常維護

（1）監測環境維護。①空氣自動監測站對環境的溫濕度要求嚴格，要確保內部環境溫濕度適宜，為保障機器設備正常運行，需要通過加濕器、空調等設施將環境溫度控制在25°C左右，誤差不得超過5°C，環境濕度不能高于80%。②排除監測站內外干擾物、容易產生污染的物質，避免外界因素導致的空氣質量監測誤差。③定期核查監測設備的參數設置、儀器信息是否合規，保障監測系統符合最佳監測狀態，降低空氣質量數據采集的錯誤概率[7]。④最后，要確保監測站的通信暢通，如電話、網絡等設備，可與外界實時進行信息交互。（2）采樣設備儀器維護。經常性清洗顆粒物的采樣頭，并周期性校正污染物的流量設置情況，按照國家和上級部門的統一標準執行。注重采樣設備的濾膜更換，濾膜更換要在抽氣泵停止工作的狀態下進行，阻止顆粒物進入儀器內部[8]；然后對過濾器的定位環進行破損檢查、酒精擦拭操作，替換嶄新的濾膜后回歸原樣；此步驟要保障過濾器和壓膜環之間無縫隙，方可正常啟動抽氣泵。（3）數據審核維護。監測站管理人員要做好數據審核工作，遵循嚴格的數據審核制度。管理人員可根據污染因子與氣象因子的相關程度、空氣質量數據規律趨勢確定所采集數據是否合理、有效，如零點漂移引起的監測數據非正值，可視為沒有檢測結果輸出。所以，對于數據審核的后期維護工作而言，需要管理人員具有一定數據審核經驗與知識儲備[9]，才能正確保留有效的空氣監測數據。

4結論

社會不斷發展進步，人們對于賴以生存的空氣資源提出了更高的質量要求，使得空氣質量監測上升為社會各界關注的熱點話題。除此之外，控制環境質量監測也是生態環保工作的重中之重。為提高社會可持續發展水平，目前我國城市空氣監測站已經廣泛布局建設，但是對于鄉鎮地區的空氣監測力度有待提升?？諝獗O測呈現的不僅僅是區域空氣質量發展趨勢，更重要的是環保決策部門可以利用空氣監測數據做出區域空氣保護規劃，對污染嚴重以及存在污染風險的地區進行控制與管理。目前，自動化已經成為空氣監測的重點方向，未來將呈現智能化發展趨勢?？傮w而言，空氣監測工作需要長期開展和維護，在信息時代逐漸成熟的社會背景下，信息化將成為解決空氣數據采集量大、對象復雜、種類繁多等問題的良好契機，彌補人為統計記錄信息的不足。國家大數據實施也為空氣監測信息化奠定了技術基礎、提出更高的標準，構建大數據信息監測平臺，加大鄉鎮地區空氣監測的網絡化、信息化水平指日可待。

參考文獻

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[9]張佳音，李揚揚，蒙瑞麗，等.空氣自動監測質量控制研究與探討[J].地下水，2015（2）：179-180.

作者:李勇 李婉晴 單位:1.駐馬店市生態環境局西平分局 2.鄭州大學西亞斯國際學院