一种大气颗粒物实时监测系统

1.本发明涉及环境监测技术领域，主要涉及一种大气颗粒物实时监测系统。


背景技术：

2.环境与发展是当今国际社会普遍关注的重大问题。在饱经了环境污染对人类的危害之后，人们开始重视环境保护，并开始进行空气质量监测的研究，空气质量远程监测系统便应运而生。如何在创造高度发展的物质文明的同时，保护好自然资源，兼顾环境与效益，合理控制污染排放，密切监视环境污染变化动态，预防严重污染事件发生，及时、准确、全面地提供空气污染变化的信息是我们函待解决的问题。因此，开展空气质量监测工作是十分必要的。
3.spi(serial peripheral interface：串行外设接口)，是一种高速的、全双工同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为pcb的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，越来越多的芯片集成了这种通信协议，其工作模式有两种：主模式和从模式；spi是一种允许一个主设备启动一个从设备的同步通讯的协议，从而完成数据的交换，这种通信方式的优点是占用端口较少，一般基本通讯仅需4根(不算电源线)，同时传输速度也很高。一般来说要求主设备要有spi控制器(也可用模拟方式)，就可以与基于spi的芯片通讯。
4.最近几年我国的环境状态越来越不乐观，大气中颗粒物浓度在逐年上升，特别是pm2.5，直接影响着人们的身心健康，也制约着工业的快速发展。当前，迫切需要开发出一种大气颗粒物的实时监测系统，可以实现精确、快速的检测到大气中颗粒物的浓度，并且及时传输到监控中心，做到实时掌握颗粒物浓度数据，以此制定相应措施。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种大气颗粒物实时监测系统，使用spi通信技术进行数据的远程传输，克服了以往数据采集和远距离传输的缺点，且结构简单，易于实现。
6.本发明的技术方案：一种大气颗粒物实时监测系统，其特征在于它包括电源单元、单片机控制单元、传感器检测单元、无线通信单元和液晶显示单元；其中，所述电源单元为单片机控制单元、传感器检测单元、无线通信单元和液晶显示单元供电；所述颗粒物传感器检测单元、无线通信单元分别与单片机控制单元呈双向连接；所述颗粒物传感器检测单元的输出端连接无线通信单元的输入端；所述单片机控制单元的输出端连接液晶显示单元的输入端。
7.所述电源单元由太阳能板蓄电池和模块化交流变直流构成；所述模块交流变直流为辅助供电方式，为太阳能板蓄电池供电；所述太阳能板蓄电池模块为主供电模块，连接单片机控制单元、传感器检测单元、无线通信单元和液晶显示单元。
8.所述单片机控制单元采用msp430系列单片机中的msp430f169。
9.所述颗粒物浓度检测单元是由颗粒物浓度采集模块、颗粒物浓度数据处理模块和
颗粒物浓度传输模块构成；所述颗粒物浓度采集模块和颗粒物浓度数据处理模块分别由电源单元供电，且所述颗粒物浓度采集模块和颗粒物浓度数据处理模块分别与单片机控制单元的主控芯片呈双向连接；所述颗粒物浓度采集模块通过颗粒物浓度采集通道采集颗粒物信息；所述颗粒物浓度采集模块与颗粒物浓度数据处理模块呈双向连接；所述颗粒物浓度数据处理模块还与远程数据传输单元呈双向连接。
10.所述颗粒物浓度采集模块采用专用高精度激光颗粒物传感器cp-15-a4，依模数转换器件a/d完成信号采集功能；所述颗粒物浓度数据处理模块依其内部总线与颗粒物浓度采集模块连接。
11.所述远程数据传输单元由无线模块nrf24l01发送数据包，无线传输到室内监控系统。
12.所述无线模块nrf24l01由4线spi通讯端口构成，包含6个数据通道。
13.所述无线模块nrf24l01与mcu连接，完成采集指令和配置信息无线接收以及颗粒物浓度信号的无线远程传输功能，mcu通过irq引脚块判断是否完成数据接收和数据发送。
14.所述无线模块nrf24l01模块通过其内部总线与高速存储模块和mcu连接，mcu通过irq引脚块判断是否完成数据接收和数据发送。。
15.本发明的工作原理：
16.在本发明中，一种大气颗粒物实时监测系统所接受的为颗粒物浓度检测单元采集到的大气中的颗粒物浓度所产生的电信号，经颗粒物浓度数据处理模块处理后，由spi串行通信模块传输到移动终端或监测中心。
17.如图2所示，本发明提供的一种大气颗粒物实时监测系统，其特征包括：电源单元，颗粒物浓度检测单元cp-15-a4，无线传输单元nrf24l01；颗粒物浓度数据处理单元msp430f169；显示单元12864。
18.所述电源单元，主要为系统提供电源；所述数据处理单元msp430f169，采用嵌入式ram芯片用于控制颗粒物浓度采集模块、颗粒物浓度数据处理模块、高速存储模块和spi传输模块；所述颗粒物浓度采集模块，用于把采集到的模拟信号通过模数转换器件a/d转换后传送给颗粒物浓度数据处理模块，颗粒物浓度采集模块采用精度激光颗粒物传感器；所述颗粒物浓度数据处理模块，用于处理数据信号中幂次方函数和对数函数；所述无线传输模块，用于把高速存储器中的数据传输到移动终端上或者环境监测中心，完成数据信号的远程传输；所述显示模块，用于显示发送的浓度信息和接受的浓度信息。
19.在本发明中，数据处理单元msp430f169的性能至关重要，其直接影响着颗粒物浓度实时采集和远程传输仪的性能。一般来说，微处理器性能越高和功耗越低，对于控制精度越高，越适合于实际应用。
20.本发明的msp430f169包含60kb 256byte可低电压作动的flash模块，弹性工作频率系统，12位8外部信道连续逼近式(sar)模拟数字转换a/d模块，两组d/a可由程控同步输出，一组模拟电压比较器，可直接将输出讯号提供给计时模块抓取；3个内部dma(direct memory access)控制器。
21.本发明中电源单元，采用太阳能板蓄电池供电方式和模块化交流转直流方式，蓄电池主要采用太阳能电池板蓄电；当蓄电池正处于充电模式时，主要由蓄电池向装置供电；当蓄电池充满电时，系统会自动切换到太阳能电池板直接向装置供电模式；模块化交流转
直流方式主要考虑到天气状况不好情况下，供电模式转换为：由模块化交流转直流向太阳能板蓄电池充电，蓄电池向装置供电，以满足设计的实时性要求。
22.本发明中的无线数据传输采用nrf24l01模块，具有多模式，传输速率高，安全性强和能与其他网络无缝连接等优点。
23.在本发明中，目前市场上使用较多的编译语言为c语言，此编译语言可实现灵活快速编程，并且方便修改的要求。
24.本发明装置的核心是:
①
通过msp430f169控制各个模块协调运行，以及通过对linux内核的修改，移植和程序的写入，能够实现远程设置该发明装置参数，启动和停止等功能。
②
运用无线通讯技术与数据采集处理技术,实现颗粒物浓度数据的远程无线采集处理和远距离传输，无线通讯技术在国内已经成熟，基站建设在全国不断完善，这为监测点组网奠定了基础，也大大降低了成本；
③
每个监测点采用多个信号传感器通道，可以实现多个通道信号的同时采集、处理和远程无线传输，求平均值以保证检测结果的准确性。
25.本发明的优越性在于：处理后的数据存储在高速存储模块里，最后数据通过基站将浓度数据传输至移动终端或转换传输到监控中心，从而实施环境监测任务中的快速响应与决策；具有传输抗干扰性强、传送距离远、传输的速率快、即时性好等特点，实现数据的实时采集和传输。
附图说明
26.图1为本发明所涉一种大气颗粒物实时监测系统的整体结构框图。
27.图2为本发明所涉一种大气颗粒物实时监测系统的具体结构原理示意图。
具体实施方式
28.实施实例：一种大气颗粒物的实时监测系统(见图1)，其特征在于它包括电源单元、单片机控制单元、传感器检测单元、无线通信单元和液晶显示单元；其中，所述电源单元为单片机控制单元、传感器检测单元、无线通信单元和液晶显示单元供电；所述传感器检测单元、无线通信单元分别与单片机控制单元呈双向连接；所述传感器检测单元的输出端连接无线通信单元的输入端；所述单片机控制单元的输出端连接液晶显示单元的输入端。
29.所述电源单元(见图2)由模块化交流变直流以及太阳能板蓄电池构成；所述模块化交流变直流为辅助供电方式，为太阳能板蓄电池供电；所述太阳能板蓄电池模块为主供电模块，连接单片机控制单元、颗粒物浓度检测单元和远程数据传输单元。
30.所述单片机控制单元采用高效能嵌入式中央处理器msp430f169为主控芯片。
31.所述颗粒物浓度检测单元是由颗粒物浓度采集模块、颗粒物浓度数据处理模块和颗粒物浓度采集通道构成；所述颗粒物浓度采集模块和颗粒物浓度数据处理模块分别由电源单元供电，且所述颗粒物浓度采集模块和颗粒物浓度数据处理模块分别与单片机控制单元的msp430f169主控芯片呈双向连接；所述颗粒物浓度采集模块通过颗粒物浓度采集通道采集颗粒物信息；所述颗粒物浓度采集模块与颗粒物浓度数据处理模块呈双向连接；所述颗粒物浓度数据处理模块还与nrf24l01远程数据传输单元呈双向连接。
32.所述颗粒物浓度采集模块采用专用高精度激光颗粒物传感器模块，依模数转换器件a/d完成信号采集功能；所述颗粒物浓度数据处理模块依其内部总线与颗粒物浓度采集
模块连接。
33.所述远程数据传输模块分别与msp430f169控制单元呈双向连接；所述高速存储器模块依颗粒物浓度数据处理模块的内部总线相互连接。
34.所述高速存储器模块通过其内部总线连接颗粒物浓度数据处理模块和nrf24l019传输模块，完成采集数据的存储的功能。
35.所述传输模块nrf24l01通过其内部总线与高速存储模块和msp430f169控制模块连接，完成采集指令和配置信息无线接收以及颗粒物浓度信号的无线远程传输功能。
36.msp430f169控制模块对颗粒浓度采集通道、颗粒物浓度采集模块、颗粒物浓度数据处理模块、颗粒物浓度采集通道、高速存储模块和nrf24l01传输模块发出相应指令；所述颗粒物浓度采集通道把一定量的待检气体吸入通道中；所述颗粒物浓度采集模块对气体中的颗粒物进行检测，该检测主要采集气体中pm2.5的浓度，并且设置检测频率；所述颗粒物浓度数据处理模块接受到为颗粒物浓度采集模块采集到的模拟信号通过模数转换器件a/d转换后的数字信号，首先颗粒物浓度数据处理模块通过幂次方函数和对数函数对数据进行初步处理，然后采用算数编码的数据压缩算法对颗粒物浓度数据进行打包压缩；所述高速存储模块把接收到的颗粒物浓度数据存储在相应的内存中；所述传输模块把数据远程传输过去，在lcd12864显示屏显示。
37.具体实现上，在msp430f169控制模块中运用c语言进行软件编程、运算，然后通过串口控制各个模块。