煤炭鐵路沿線粉塵污染監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝青龍

（神華新朔鐵路有限責(zé)任公司通信技術(shù)分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

煤炭一直是我國的主要能源，并在一段時(shí)期內(nèi)保持這種狀態(tài)。煤炭化工、火電廠都靠這種不可再生資源維持，但是我國的煤炭儲量分布不均，主要產(chǎn)地集中在西北內(nèi)陸地區(qū)，但煤炭的需求量卻恰恰相反，東部沿海等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)省份對電能的需求巨大，同時(shí)煤化工重點(diǎn)企業(yè)也在東部。這就不可避免地需要長途運(yùn)輸煤炭，鐵路成為首選途徑。在運(yùn)輸過程中，由于鐵路提速，以及沿途的風(fēng)力情況，都會造成煤炭揚(yáng)塵，不僅污染了環(huán)境，還給運(yùn)輸企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)損失。目前我國內(nèi)蒙、山西等地已經(jīng)建立起多條煤炭運(yùn)輸專線，成功實(shí)現(xiàn)了煤炭產(chǎn)出大省向全國以及港口的運(yùn)輸。通過鐵路運(yùn)輸?shù)拿禾浚磕赀_(dá)到幾億噸，由于揚(yáng)塵損失的煤炭不可估量，但是最嚴(yán)重的還是揚(yáng)塵帶來的環(huán)境污染。本文將針對鐵路揚(yáng)塵的特點(diǎn)，研究一套PM2.5粉塵監(jiān)測系統(tǒng)。

1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)

21世紀(jì)我國鐵路經(jīng)歷了幾次大提速，大大增強(qiáng)了鐵路運(yùn)力，目前的行駛速度幾乎達(dá)到原來的2倍。這無形中增加了煤炭揚(yáng)塵的嚴(yán)重性。雖然近年來鐵路沿線綠化程度有所加強(qiáng)，但是并沒有實(shí)現(xiàn)與農(nóng)田，或其他民用設(shè)施的完全隔離。煤炭運(yùn)輸專線附近，土壤和河流都受到不同程度的污染，給人民群眾的生活和健康帶來很大威脅。

同時(shí)，在一些通風(fēng)不暢的封閉環(huán)境，例如隧道等，揚(yáng)塵帶來的煤粉無法迅速擴(kuò)散濃度會不斷加大，當(dāng)達(dá)到一定濃度的時(shí)候，遇到鐵路上產(chǎn)生的電火花，不可避免地產(chǎn)生爆炸，對鐵路安全運(yùn)行帶來極大威脅。

隨著空氣污染的加劇，與顆粒物污染有關(guān)的過早死亡人數(shù)達(dá)到年均兩百萬人。美國相關(guān)部門也對大氣污染對人類的影響作出了調(diào)查：PNAS（美國國家科學(xué)院院刊）發(fā)布聲明，指出人類因空氣污染，其平均壽命已減少了五年半之多。國際癌癥研究機(jī)構(gòu)（隸屬于世界衛(wèi)生組織）發(fā)布公告，公告清楚地指出大氣污染會誘導(dǎo)人類獲得癌癥，并將大氣污染列為主要環(huán)境致癌物質(zhì)之一。在高濃度顆粒物下長期暴露會導(dǎo)致一系列的呼吸系統(tǒng)疾病與心血管相關(guān)疾病甚至是肺癌。PM2.5因?yàn)槠潴w積小，傳輸距離遠(yuǎn)，空中滯留時(shí)間長，所以它能夠吸附更多的重金屬元素和有毒物質(zhì)，人們吸入PM2.5將會大幅增加致癌、發(fā)育畸形，導(dǎo)致突變的概率。

綜上所述，我們研究PM2.5就是為了從根本上對它進(jìn)行防治，因?yàn)樗鼘﹁F路運(yùn)輸安全、環(huán)境污染、人體健康帶來極大的危害，還能夠擾亂大氣氣候形成極端天氣。研究PM2.5污染物監(jiān)測分析系統(tǒng)，能夠?qū)M2.5進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，對采集到的PM數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，從而得知該地區(qū)的PM2.5污染情況，這樣就能夠針對該地區(qū)的特點(diǎn)，對PM2.5超標(biāo)的現(xiàn)象進(jìn)行治理。如果相鄰的地區(qū)也應(yīng)用PM2.5污染物監(jiān)測分析系統(tǒng)的話，那么會形成塊區(qū)域聯(lián)合治理的現(xiàn)象，也就是說能夠更好地治理PM2.5，在結(jié)合風(fēng)向等天氣因素甚至能夠做到PM2.5局部性的預(yù)測。對于PM2.5的治理和防治具有重要意義。

2.監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本PM2.5污染物監(jiān)測分析系統(tǒng)基于SDS011 PM2.5傳感器，采用激光散射原理測量PM2.5和PM10濃度，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性高，可靠性強(qiáng)，數(shù)字化輸出。如圖1所示，系統(tǒng)核心采用STM32F103RCT6。PM2.5傳感器通過導(dǎo)線連接到STM32的USART3引腳上，而STM32通過USART中斷將PM2.5和PM10的數(shù)據(jù)包接收并校驗(yàn)，經(jīng)過計(jì)算得到真正的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)通過LED屏進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，方便觀測人員在室外進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)觀測。與此同時(shí)2.4G無線模塊NRF24L01+將PM數(shù)值實(shí)時(shí)傳送到與PC相連的另一個(gè)NRF24L01+和USB to TTL模塊上，進(jìn)而將PM數(shù)值傳給PC上的MFC上位機(jī)進(jìn)行處理。

2.2 STM32 處理器模塊

STM32系列為以ARM Cortex-M3為內(nèi)核地滿足高性能、低功耗、低成本的SOC，它是嵌入式開發(fā)的絕佳選擇之一。STM32 F系列分為：基本型、增強(qiáng)型、互聯(lián)型。其中，基本型擁有36MHZ的時(shí)鐘頻率，是以16位MCU的價(jià)格得到32位性能大幅提升的MCU的高性價(jià)比產(chǎn)品；增強(qiáng)型擁有高時(shí)鐘頻率（72MHZ），與同類產(chǎn)品相比擁有最高的性價(jià)比；基本型和增強(qiáng)型都包含32K到128K的程序存儲器，區(qū)別在于外設(shè)接口的配備和SRAM的容量值。當(dāng)選擇72MHZ時(shí)，從程序存儲器執(zhí)行代碼，STM32僅消耗36mA的功耗。

ARM Cortex-M3是ARM系列中最高性價(jià)比的處理器，它為緊湊的資源、要求低功耗的項(xiàng)目提供了完整的解決方案，同時(shí)還擁有快速的計(jì)算能力和中斷快速響應(yīng)的能力。滿足實(shí)時(shí)性的要求。為實(shí)時(shí)性要求高的項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供了極大的便捷和無限的可能。ARM Cortex-M3屬于RISC 32位的處理器類型。而且它代碼效率極高，在8位和16位的存儲空間里同樣能夠發(fā)揮ARM內(nèi)核的優(yōu)點(diǎn)。而且，STM32F103XC/XD/XE增強(qiáng)型因?yàn)槠浜诵臑锳RM核，所以它也能夠用ARM公司提供的各種開發(fā)軟件進(jìn)行項(xiàng)目開發(fā)。

2.3 PM2.5 傳感器模塊

SDS011通過激光散射原理，能夠檢測出大氣中細(xì)顆粒物的濃度，精度高達(dá)0.3-10微米。SDS011數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，采用進(jìn)口激光器與感光部件進(jìn)行細(xì)顆粒物檢測。產(chǎn)品內(nèi)置風(fēng)扇，提高檢測效率，避免誤差。采用數(shù)字化輸出，使得數(shù)據(jù)便于后期處理分析。擁有很高的集成度，在體積很小的情況下就能夠集成PM2.5和PM10的檢測。

SDS011的功能：采用激光檢測，誤差率低、一致性好，輸出數(shù)據(jù)精準(zhǔn)；擁有快速的反應(yīng)，當(dāng)場景發(fā)生變換時(shí)，其響應(yīng)時(shí)間小于等于十秒；自帶風(fēng)扇，采用串口輸出，方便與單片機(jī)、PLC連接，而且輸出可定制，集成度極高；精度極高，能夠檢測大氣中0.3-10微米的細(xì)顆粒物，測量范圍廣。

2.4 NRF24L01無線通信模塊

NRF24L01的特點(diǎn)較為明顯，它有著極低的功耗：當(dāng)它以-6dbm工作在發(fā)射模式下，其電流僅消耗9mA，當(dāng)它工作在接收模式下，其電流僅消耗12.3mA。如果想要更低的功耗，則可以考慮掉電模式和待機(jī)模式。

當(dāng)NRF工作在增強(qiáng)型的Shock Burst模式下，且MCU有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，NRF就會轉(zhuǎn)為Shock Burst模式來發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)送完畢后，NRF立刻轉(zhuǎn)換為接收模式（為了等待接收應(yīng)答信號），如果沒有接收到應(yīng)答信號，NRF會重新發(fā)送此數(shù)據(jù)包?；蛘弋?dāng)重發(fā)次數(shù)超出一定值（SETUP_RETR_ARC中設(shè)置的值）則報(bào)錯(cuò)并中斷。反之，當(dāng)NRF接收到了應(yīng)答信號，就認(rèn)為發(fā)送數(shù)據(jù)成功，清空發(fā)送緩存區(qū)，并產(chǎn)生一個(gè)發(fā)送成功的中斷。在增強(qiáng)型Shock Burst模式下，NRF的這些特點(diǎn)較為突出：一是功耗低，當(dāng)NRF工作在應(yīng)答模式時(shí)，啟動時(shí)間短，傳輸速度快，降低了功耗。二是碰撞現(xiàn)象少。因?yàn)榭罩袀鬏斔俣葮O快，所以產(chǎn)生碰撞的幾率很小。三是成本低廉。NRF不需要單片機(jī)上有SPI接口，因?yàn)橐部梢杂肐O口來模擬SPI的功能。而且本身已經(jīng)集成了自動重發(fā)丟包和接收應(yīng)答信號，所以極大地節(jié)約了項(xiàng)目開發(fā)成本。四是開發(fā)方便。因?yàn)樾酒霞闪随溌穼?，所以在軟硬件的開發(fā)上十分方便。五是正確率高。因?yàn)椴捎昧藬?shù)據(jù)包識別和CRC校驗(yàn)，保證了發(fā)送接收的每個(gè)包都是正確的和完整的。NRF中每包數(shù)據(jù)包括兩位PID值用來辨識。接收方接收到的數(shù)據(jù)包PID值若和上一個(gè)數(shù)據(jù)包PID值相同，則比較前后兩個(gè)包的CRC值，如果CRC值相同，則說明這是一個(gè)重發(fā)的數(shù)據(jù)包而丟棄。NRF每取得一個(gè)新的數(shù)據(jù)包，則PID值加1。

3.結(jié)語

我國的煤炭儲量分布不均，主要產(chǎn)地集中在西北內(nèi)陸地區(qū)，但煤炭的需求量卻恰恰相反，這就不可避免地需要長途運(yùn)輸煤炭，鐵路成為首選途徑。由于鐵路提速等因素影響，運(yùn)輸過程中的揚(yáng)塵情況進(jìn)一步加劇，本論文針對污染監(jiān)測需求，設(shè)計(jì)了鐵路粉塵監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了PM2.5的實(shí)時(shí)監(jiān)測。