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基于NB-IoT的大气污染物无线监测站点设计

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侯凡博张修太王丹丹王凯

摘要：文中设计并实现了一种基于窄带物联网的大气主要污染物在线监测系统。该系统主要由数据发布服务器、设备管理服务器、云端数据采集服务器、NB-IoT无线监测站点等组成。文中主要讨论了NB-IoT无线监测站点的设计与实现，其采用ARMCortex-M3内核主流单片机STM32F103作为主控制器，采用SIM7000CNB-IoT通信模块进行设备与服务器间的数据通信。利用高精度电化学大气有害气体传感器和先进的激光散射粒子计数系统对大气主要污染物进行采样，并通过NB-IoT实时上传至云端服务器并记录和发布。该系统的实现便于专家学者对环境污染信息进行统计分析，利于国家环保机构对大气污染治理现状的精准把控。

关键词：NB-IoT;无线监测;大气污染;单片机;传感器;STM32F103

中图分类号：TP274文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）10-000-03

0引言

大气污染的治理一直以来都是世界性难题。伴随着中国经济的飞速发展，我国大气污染现状越来越受到全社会的关注[1]。若要解决和治理大气污染问题，就必须建立起一套实时、高效、可靠的大气污染监测系统。受当下物联网应用技术的启发和NB-IoT网络的普及，文中设计了一种大气主要污染物在线监测系统，用以改善和提高现有大气污染监测设备的扩展性、实时性、灵活性、可靠性和便利性。该系统主要由数据发布服务器、设备管理服务器、云端数据采集服务器、NB-IoT无线监测站点等组成。本文主要讨论无线监测站点的软硬件设计，采用高精度电化学有害气体传感器对大气中的主要有害气体（SO2，NO2，O3，CO）进行实时采样，通过扩展异步串行接口将采样数据送至STM32单片机;采用激光散射粒子计数设备对大气中的可吸入颗粒物（PM10，PM2.5，PM1）进行实时采样，并将采样数据通过SPI同步串行口传输至单片机。单片机对数据进行平均滤波后，经由NB-IoT无线网络将收集的数据及时上传到云端数据采集服务器，以实现大气污染数据的采集。该系统的设计遵循《环境空气质量自动检测技术规范》（HJ/T193—2005），适用于环保部门对大气污染的监测和管控[2]。

1总体设计方案

本系统是一套涵盖网络服务器与无线网络监测站点的大型分布式大气环境污染监测系统，其整体结构如图1所示。该系统可实时对大气中的主要有害气体、可吸入颗粒物以及环境温湿度等信息进行采集，并通过网络对采集的数据进行处理和发布。其中NB-IoT无线监测站点是本项目的功能核心，具有对大气污染物的浓度采集、数据处理和数据上传功能。站点具有布设便利、通信可靠、采样准确、运行稳定等特点，以保证站点设备在投入使用后无需人为干涉即可稳定进行数据采集和上传。

2系统硬件设计

根据上文制定的方案，NB-IoT无线监测站点的硬件设备应具备以下功能：

（1）可对大气中主要气体污染物的浓度进行检测，包括二氧化氮（NO2）、一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）和臭氧（O3）等;

（2）可对大气中可吸入颗粒物的浓度进行检测，包括粒径小于10μm的颗粒物（PM10）和粒径小于2.5μm的颗粒物（PM2.5）;

（3）可控制风机等设备对检测站检测设备腔体内的样本气体进行更新;

（4）可通过NB-IoT网络将数据发送至云端数据采集服务器;

（5）具备储存能力，可在网络不好的条件下保存数据，待网络恢复后向服务器上传;

（6）具备稳定的电源供电能力，可保证系统稳定运行。

系统硬件结构如图2所示。

2.1气体污染物浓度传感器选型

系统使用气体传感器对气体污染物如二氧化氮（NO2）、一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）和臭氧（O3）进行浓度采样。气体传感器是将特定气体的浓度信息转变成数字信号或模拟信号的传感器件。本系统采用国内某公司出产的通用型电化学大气监测传感器模组，利用电化学原理对NO2，CO，SO2，O3气体进行探测，具有良好的选择性和稳定性。内部集成有温度传感器，可自动进行温度补偿。同时具备数字输出接口以及模拟电压输出接口，方便用户使用。该传感器主要应用于城市空气质量监测、企业污染气体排放监测、环境保护部门对城市空气监测、便携式仪器仪表和空气质量监测设备的生产制造、智能家居设备的研发等[3]。通用型电化学大气监测传感器模组的数字输出端口采用通用异步收发传输接口（UART）。

2.2可吸入颗粒物浓度传感器选型

目前世界上主要使用激光粉尘仪对可吸入颗粒物进行自动化取样检测。激光粉尘仪采用光散射法对大气中的粉尘等颗粒物进行浓度检测。本系统采用国外某厂家生产的激光散射粒子计数系统对可吸入颗粒物浓度进行检测。该传感器使用轻便，具有先进的光学粒子检测系统以及精密的电子电