胡中南,樊蓓蓓

(1.上海大學(xué)機(jī)電工程與自動化學(xué)院,上海 200444;2.上海飛機(jī)制造有限公司,上海 200436)

0 引言

近年來,隨著燃煤、機(jī)動車輛等能源消耗的不斷提升,空氣污染問題引起了人們的廣泛關(guān)注。 我國在“十二五”規(guī)劃中提出綜合性大氣污染防治規(guī)劃,并強調(diào)加強對空氣中PM2.5、二氧化硫等物質(zhì)的含量監(jiān)測和控制。 雖然大部分空氣質(zhì)量問題較為嚴(yán)重的城市陸續(xù)引進(jìn)建立環(huán)境監(jiān)測中心站,但對地方局部地區(qū)的監(jiān)測仍具有局限性和不穩(wěn)定性[1],從而引起空氣質(zhì)量監(jiān)測不全面、空氣指標(biāo)誤差較大等問題。 對此,本文設(shè)計了基于LabVIEW 的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng),提高了空氣質(zhì)量監(jiān)測的全面性和穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的基于LabVIEW 的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng),主要可分為傳感器組空氣探測儀、空氣質(zhì)量評估報警和上位機(jī)監(jiān)測界面三個部分。 傳感器組空氣探測儀由DS18B20 溫度傳感器、PMS3003 顆粒物傳感器、 MQ-7 一氧化碳傳感器和2SH12 二氧化硫傳感器組成,用于探測在一定溫度下空氣中PM2.5、CO、SO2物質(zhì)的含量[2]。空氣質(zhì)量評估報警部分主要通過聚類分析等算法,對系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算,得到空氣質(zhì)量評估值;當(dāng)評估值超出評估質(zhì)量閾值時則發(fā)出報警。 上位機(jī)監(jiān)測界面主要由LabVIEW 完成,通過圖形化編程設(shè)計顯示前面板,當(dāng)串口把數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)時立即啟用數(shù)據(jù)圖表化的顯示與存儲功能[3]。 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure of the system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)整體硬件連接原理如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)整體硬件連接原理圖Fig.2 Principle of the system overall hardware connection

基于LabVIEW 的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的主要硬件包括PMS3003 顆粒物傳感器、DS18B20 溫度傳感器、MQ-7 一氧化碳傳感器和2SH12 二氧化硫傳感器構(gòu)成的傳感器組、LCD1602 液晶顯示模塊和蜂鳴器報警模塊。 其中,PMS3003 和DS18B20 是數(shù)字型傳感器,接通過I/O 口輸出數(shù)字信號;MQ-7 和2SH12 是模擬量輸出傳感器,將輸出模擬量通過外設(shè)A/D 模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。

2.1 PMS3003 顆粒物傳感器模塊

系統(tǒng)對空氣中PM2.5 粉塵顆粒物濃度的監(jiān)測部分選用PMS3003 顆粒物傳感器。 該傳感器與核心處理器的P2. 4 端口相連接,可檢測分辨粒徑最低為0.3 μm 的粉塵顆粒[4]。 由于休眠功能需要30 s 以上的自啟動時間,所以在本設(shè)計中不應(yīng)用休眠功能,只采用平穩(wěn)模式對空氣中粉塵進(jìn)行數(shù)字信號檢測。 傳感器檢測過程主要應(yīng)用激光散射原理,通過自身所帶激光源對空氣中的懸浮顆粒物進(jìn)行散射,從特定角度收集散射光使散射光強發(fā)生變化,經(jīng)過MIE 散射理論算法輸出相應(yīng)電信號,從而得出單位體積內(nèi)顆粒物的數(shù)量。PMS3003 顆粒物傳感器工作原理如圖3 所示。

圖3 PMS3003 顆粒物傳感器工作原理Fig.3 Working principle of PMS3003 particle sensor

2.2 DS18B20 溫度傳感器模塊

DS18B20 溫度傳感器工作原理如圖4 所示。

圖4 DS18B20 溫度傳感器工作原理Fig.4 Working principle of DS18B20 temperature sensor

系統(tǒng)選用DS18B20 數(shù)字溫度傳感器對環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)測。 該傳感器與核心處理器的P2.5 端口相連接,通過單總線工作方式讀取輸出數(shù)字量,具有較強的抗干擾性。 在傳感器工作過程中:對于計數(shù)器2,內(nèi)部的高速晶振隨高溫的變化而產(chǎn)生不同頻率的震蕩信號輸入脈沖[5];對于計數(shù)器1,對低溫晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計入,從而完成溫度寄存器數(shù)值的累加。 當(dāng)計數(shù)器2 重新計數(shù)至0 時,寄存器內(nèi)的數(shù)值即為環(huán)境溫度值。

2.3 MQ-7 一氧化碳傳感器模塊

系統(tǒng)選用MQ-7 一氧化碳傳感器對空氣中CO 濃度進(jìn)行監(jiān)測。 該傳感器的模擬量輸出端與ADC0832轉(zhuǎn)換模塊的CH1端口相連接,數(shù)字量輸出端懸空。 該傳感器是一種氣敏式傳感器,內(nèi)部由SnO2敏感層、Al2O3陶瓷管、測量電極和加熱器構(gòu)成。 傳感器接觸到CO 氣體后通過活性炭過濾層吸附至內(nèi)部敏感層。氣敏元件通過感應(yīng)氣體濃度而加熱電流,輸出0～5 V模擬量電壓信號。 電壓信號經(jīng)過8 位A/D 轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換后,從I/O 口輸出0～255 的數(shù)字信號。

2.4 2SH12 二氧化硫傳感器模塊

系統(tǒng)選用2SH12 二氧化硫傳感器對空氣中SO2濃度進(jìn)行監(jiān)測。 該傳感器的模擬量輸出端與ADC0832 轉(zhuǎn)換模塊的CH0端口相連接,數(shù)字量輸出端懸空。 該傳感器具有精度高、分辨率高、響應(yīng)速度快等特點,內(nèi)部自帶溫度補償電路保證了數(shù)據(jù)測量的準(zhǔn)確性,輸出0～5 V 模擬量電壓信號。 電壓信號經(jīng)過8 位A/D 轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換后,從I/O 口輸出0～255 的數(shù)字信號。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 傳感器組數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計

傳感器組數(shù)據(jù)采集的軟件設(shè)計流程如圖5 所示。

圖5 軟件設(shè)計流程圖Fig.5 Flowchart of software design

系統(tǒng)下位機(jī)部分的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)監(jiān)測采集、LCD1602 液晶顯示和質(zhì)量判定主要通過Keil5 軟件使用C 語言編程來完成。 在傳感器組采集數(shù)據(jù)的程序編寫中,CO 和SO2濃度的采集需要將輸出端模擬量通過A/D 轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字量。 當(dāng)環(huán)境中沒有CO 和SO2氣體時,傳感器模擬量輸出端的電壓接近0 V;當(dāng)環(huán)境中的CO 和SO2被檢測到時,傳感器輸出端會輸出0～5 V 模擬電壓。 該輸出電壓與氣體濃度呈比例關(guān)系[6]。 傳感器模塊輸出模擬量,模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analogdigital converter,ADC)轉(zhuǎn)換時間T及轉(zhuǎn)換數(shù)字量Din結(jié)果計算公式如下:

式中:Vin為氣體檢測傳感器的模擬輸出量;n為分辨率;VREF為轉(zhuǎn)換參考電壓。

由于本系統(tǒng)設(shè)計中選用的是8 位ADC0832 轉(zhuǎn)換模塊,所以n=8。 模擬量輸出0～5 V 對應(yīng)的數(shù)字量輸出范圍為0～255。 查閱相關(guān)標(biāo)定數(shù)據(jù)表和資料后,通過擬合曲線的方式,可以得到相關(guān)模擬量輸出濃度標(biāo)定公式:

式中:PSO2為SO2氣體濃度,×10-6;PCO為CO 氣體濃度,×10-6;D0為二氧化硫傳感器模塊輸出的模擬量經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量;D1為一氧化碳傳感器模塊輸出的模擬量經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。

3.2 上位機(jī)監(jiān)測界面軟件設(shè)計

上位機(jī)監(jiān)測界面軟件用于圖表化顯示串口所接收到的下位機(jī)傳感器組的采集信息。 在程序控件中添加6 個XY Graph. vi 控件。 通過波形圖表顯示,可以直觀、明了地觀察空氣質(zhì)量監(jiān)測信息,并實時察看各項指標(biāo)氣體濃度。 通過使用VISA 配置串口函數(shù)、VISA 讀取函數(shù)和VISA 關(guān)閉函數(shù)完成串口配置的功能。 在配置串口函數(shù)過程中,將輸入信號連接到VISA 資源名稱輸入端,從而確定計算機(jī)連接的數(shù)據(jù)串口,或手動選擇參數(shù)。 上位機(jī)監(jiān)測界面的設(shè)計中還具有數(shù)據(jù)存儲回放功能,通過添加程序控件連接字符串.vi,讓Excel 表格按照讀取的數(shù)據(jù)日期、時間,以及接收到的溫度、PM2.5 含量、氣體濃度的順序存儲數(shù)據(jù)。 其主要方式是將日期、時間以及測得的數(shù)據(jù)按照順序放在一個一維數(shù)組中,再通過數(shù)組轉(zhuǎn)換后錄入在Excel 表格中。

3.3 空氣質(zhì)量評估模型的設(shè)計

在空氣質(zhì)量評估的過程中,先通過聚類分析中R型分析的方法找到影響空氣質(zhì)量相關(guān)性較強的因素[7],再通過分析具體矩陣并建立評估算法,計算出主要影響因素占空氣質(zhì)量評估值的百分比,從而完成綜合性空氣質(zhì)量評估。

查閱相關(guān)文獻(xiàn)和資料后,發(fā)現(xiàn)空氣質(zhì)量的分指數(shù)有很多。 經(jīng)過篩查,選擇出了8 種主要指數(shù),即溫度(X1)、SO2(X2)、NO2(X3)、PM10(X4)、CO(X5)、O3(X6)、PM2.5(X7)、CH2O(X8),并得到主要指數(shù)的對應(yīng)指標(biāo)數(shù)據(jù)。 這8 種指標(biāo)存在較強的相關(guān)性, 所以通過聚類分析對相關(guān)性最強的因素進(jìn)行篩選。

變量xm的取值為(X1m,X2m,X3m,...,Xnm)T∈Rn(m=1,2,...,8) ,用xj和xk作為樣本相關(guān)系數(shù),計算系統(tǒng)相關(guān)系數(shù):

通過系統(tǒng)相關(guān)系數(shù),計算得到相關(guān)系數(shù)矩陣A,如式(6)所示。

從相關(guān)系數(shù)可以看出:有些指標(biāo)間具有一定相關(guān)性。 通過均方差方式計算出標(biāo)準(zhǔn)測量度函數(shù),對8 種指標(biāo)進(jìn)行聚類分析,并通過聚類樹形圖進(jìn)行對比。 對比結(jié)果表明:X1、X3、X4、X6、X8 指標(biāo)樣本數(shù)據(jù)的分類效果較好,具有較強相關(guān)性,最先完成聚類,符合分類結(jié)果的合理性。 所以用溫度(X1)來代替這5 種指標(biāo)[8],后面主要分析溫度(X1)、SO2(X2)、CO(X5)、PM2.5(X7)4 種指標(biāo),并通過分析建立空氣質(zhì)量評估模型矩陣B。

通過計算,得到溫度、SO2濃度、CO 濃度和PM2.5濃度這4 項指標(biāo)所占權(quán)重比分別為18%、35%、30%、17%。 令空氣質(zhì)量綜合得分為Q=100,則4 項指標(biāo)分別得分為Q1、Q2、Q3、Q4。 在實際測定中,空氣質(zhì)量評估分?jǐn)?shù)Q=Q1+Q2+Q3+Q4。 再根據(jù)環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)等級規(guī)定[9],將空氣質(zhì)量指數(shù)(air quality index,AQI)數(shù)值映射至0～100 范圍內(nèi):當(dāng)評估分?jǐn)?shù)<40 時,空氣質(zhì)量狀況為優(yōu);當(dāng)40≤評估分?jǐn)?shù)<60 時,空氣質(zhì)量狀況為良;當(dāng)60≤評估分?jǐn)?shù)<80 時,空氣質(zhì)量狀況為輕度污染;當(dāng)評估分?jǐn)?shù)≥80 時,空氣質(zhì)量狀況為重度污染。 經(jīng)過軟件程序計算,當(dāng)采集的空氣中指標(biāo)數(shù)據(jù)評估分?jǐn)?shù)≥60 時,應(yīng)發(fā)出報警信號。

4 系統(tǒng)測試與調(diào)試分析

4.1 空氣質(zhì)量判定準(zhǔn)確性測試

本次空氣質(zhì)量判定的測試選擇在室外環(huán)境較好的開闊地點進(jìn)行:對室外環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行采集和監(jiān)測[10],計算出空氣質(zhì)量綜合評估分?jǐn)?shù),并與某種空氣質(zhì)量檢測儀采集數(shù)值進(jìn)行對比分析[11]。 經(jīng)過多次測試,得到空氣質(zhì)量評估分?jǐn)?shù)與實際分?jǐn)?shù)對比表,如表1 所示。

表1 空氣質(zhì)量評估分?jǐn)?shù)與實際分?jǐn)?shù)對比表Tab.1 Table of comparison between air quality judgment scores and actual scores

對比分析結(jié)果表明,本文設(shè)計的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性較高,測試結(jié)果與實際情況偏差不大,論證了評估模型建立的可靠性。

4.2 數(shù)據(jù)傳輸調(diào)試

在下位機(jī)采集空氣質(zhì)量各項指標(biāo)數(shù)據(jù)后,開始調(diào)試與上位機(jī)串口數(shù)據(jù)傳輸功能。 在連接LabVIEW 監(jiān)測界面之前,通過串口調(diào)試助手進(jìn)行連接觀察。 考慮到LabVIEW 接收數(shù)據(jù)時需要添加標(biāo)志符來確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性,所以在軟件設(shè)計中串口發(fā)送部分子程序數(shù)據(jù)格式為“+xx℃ PM2.5xx COxx SO2xx”。 通過串口調(diào)試助手?jǐn)?shù)據(jù)傳輸結(jié)果可以看出,界面接收數(shù)據(jù)格式為:“+20℃ PM2.521 CO03 SO218 +24℃ PM2.523 CO03 SO217……”。 串口調(diào)試助手界面顯示表明,數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果與程序設(shè)置中數(shù)據(jù)格式一致,且與下位機(jī)數(shù)據(jù)相符。

4.3 系統(tǒng)總體調(diào)試結(jié)果

本系統(tǒng)經(jīng)過軟件硬件聯(lián)合測試,設(shè)計了自行集成的電路板,上電后下位機(jī)工作正常,可以通過LCD1602液晶顯示模塊實時顯示環(huán)境溫度,以及空氣中PM2.5、SO2、CO 的質(zhì)量濃度,并發(fā)出空氣質(zhì)量評估報警信號。空氣質(zhì)量準(zhǔn)確性測試結(jié)果表明,系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)具有較高準(zhǔn)確性。 上位機(jī)LabVIEW 監(jiān)測界面可實時通過波形圖表顯示各項指標(biāo)值,并能夠完成數(shù)據(jù)存儲回放和設(shè)置閾值報警功能。 綜上可知,系統(tǒng)軟件硬件測試均能正常運行。

5 結(jié)論

本文給出了基于LabVIEW 的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方法,對系統(tǒng)硬件及軟件的設(shè)計作出了詳細(xì)的說明。 系統(tǒng)由DS18B20 溫度傳感器、PMS3003 顆粒物傳感器、 MQ-7 一氧化碳傳感器和2SH12 二氧化硫傳感器組成的傳感器組采集設(shè)定環(huán)境內(nèi)空氣質(zhì)量的指標(biāo)參數(shù),并通過空氣質(zhì)量測評模型對空氣質(zhì)量評估分?jǐn)?shù)Q進(jìn)行計算,經(jīng)軟件設(shè)定相關(guān)閾值從而產(chǎn)生報警信號。上位機(jī)部分通過串口通信傳輸下位機(jī)采集的數(shù)據(jù),實現(xiàn)了LabVIEW 監(jiān)測界面對空氣各項指標(biāo)數(shù)值實時圖表化顯示和存儲[12]。 系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)及評估參數(shù)計算具有較高準(zhǔn)確性、上位機(jī)圖表顯示具有實時性,對空氣污染防治規(guī)劃有一定的參考價值。