乡镇空气自动监测站建设探讨

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摘要：乡镇地区工业水平提升、交通运输事业发展，加速了空气环境污染局面，有必要在乡镇地区设立空气自动监测站，为改善乡镇空气质量与生态水平提供依据。为此，从硬件架构与软件功能两个方面实现了乡镇空气自动监测站建设，监测站硬件架构包括空气采样模块、数据采集模块、数据处理模块、无线通信模块等部分，以各种类型传感器采集空气质量数据，预处理后传输到人机交互端与上级监测中心；监测站集成了数据可视化查询、监测设备状态管理、监测系统校对等软件功能，满足了管理人员对数据的多元化应用需求。

关键词：乡镇；空气质量；数据处理；自动监测

空气是人类赖以生存的自然资源，空气环境污染影响人类的生存质量、威胁人类身体健康。随着我国社会主义新农村建设、城乡一体化进程的加快，乡镇地区加工企业逐渐开办、车辆运输力度不断加大，为乡镇地区空气环境带来一定负担，工业较为发达的乡镇地区雾霾天气频繁出现[1]。为此，社会发展过程中乡镇地区的空气环境质量问题亟待得到关注和解决。由于城市环境质量问题的日益严峻，空气自动监测站点已经在全国范围内广泛布点，我国乡镇地区空气质量监测也应提上日程[2]。空气自动监测站建设提高了区域空气质量监测的智能化水平，无须人工获取空气质量数据，并且保障了空气质量数据采集的精准度。乡镇空气自动监测站为政府管理空气环境提供科学的决策依据，对于乡镇地区污染物排查、优化空气环境质量具有建设性意义。

1乡镇空气自动监测站的硬件设计

采集精准、真实的空气环境数据是乡镇空气自动监测站的基本要求，其次要实现监测站空气质量数据的自动化与智能化采集，消除人工测量控制污染含量的弊端。本文设计的空气自动监测站的硬件架构如图1所示。空气采样模块、数据采集模块、数据处理模块、无线通信模块、人机交互模块是空气监测站的基本构成，各环节相互配合实现乡镇地区空气的自动采样、自动处理与分析[3]，将分析结果作为空气质量管理的决策依据。此外，PM2.5、PM10、臭氧、二氧化硫、氮氧化物和一氧化碳是空气自动监测站的主要监测对象与内容，涵盖了高频污染元素和气象因子。空气采样模块布局了多类型传感器采集污染物浓度、温湿度、风速等空气质量数据；监测站利用定位模块获取监测地的时空信息，利用采集的空气质量数据构建评价模型，通过无线通信模块、WiFi模块将处理后的结果和时空信息一同发送到人机交互界面和上级监测中心[4]。监测站要执行全天候不间断的自动采样与分析任务，向显示端实时传输空气质量监测结果。乡镇空气自动监测站的硬件架构如图1所示。（1）A/D数据转换模块：负责将空气采样模块获取的模拟信号转换为数字信号，为处理模块提供正确格式的空气质量数据。（2）数据处理模块：系统自动采集空气质量信息过程中难免出现数据缺失、数据冗余、数据噪声过大等问题，需要对原始数据进行预处理，提高后期数据挖掘与分析的精准度。数据处理模块基于最邻近插补法填补数据缺失部分，采用中值滤波法消除冗余数据与数据噪声，恢复控制质量数据采集的完整性。（3）空气采样模块：此模块集成了光学空气质量传感器、温湿度传感器、压力传感器、大气传感器，旨在采集全面的空气质量参数。光学空气质量传感器能够对空气中的污染因子进行采集，其原理是根据空气样品的脉冲输出情况判断污染浓度，进而将采集的光信号转换为数据信号，传输到数据采集模块[5]。大气传感器利用A/D转换模块实现气压模拟值向数字信号的转换，数字信号以无线通信模块和WiFi模块为中介传输至数据处理模块进行集中管理。（4）通信模块：包括GPRS无线通信模块和WiFi无线模块两个部分，主要负责传感器与数据采集模块之间的数据传输、数据处理模块与显示终端之间的数据传输。（5）人机交互模块：即液晶显示模块，矩阵式键盘和LCD1602液晶显示屏是此模块的核心构件，空气自动监测系统的状态信息通过人机交互界面实时显示，PM2.5、PM10、臭氧、二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳污染因子的浓度实时呈现在界面之中，利用键盘随时调整系统的参数设置。

2空气自动监测站的软件功能设计

本文设计的乡镇空气自动监测站的软件功能包括空气质量数据可视化查询、监测设备状态管理、监测系统校对、系统参数设置、监测环境控制等等，详细的软件功能如图2所示。乡镇空气自动监测站是以监测子站的形式存在，采集的数据需要上传至上级监测中心进行空气质量分析决策，所以，为良好配合上级监管中心的工作，此系统配备了数据传输、监测环境参数修正等功能，进一步对乡镇地区空气质量数据进行查询统计、生成报表、备份恢复等操作[6]。在数据查询功能中，用户可以获取当地任意时间点的空气监测的均值、上限值、下限值、样本数量、污染程度等信息，以空气质量日报周报、乡镇达标率统计、污染物浓度统计、空气质量级别等形式表达，以电子表格、纸质表格的形式输出。此外，系统软件提供了可视化图形显示功能，将一周、一个月、一年的空气质量信息以曲线的形式呈现，便于直观获取某地某时段的空气质量情况。

3空气自动监测站的日常维护

（1）监测环境维护。①空气自动监测站对环境的温湿度要求严格，要确保内部环境温湿度适宜，为保障机器设备正常运行，需要通过加湿器、空调等设施将环境温度控制在25°C左右，误差不得超过5°C，环境湿度不能高于80%。②排除监测站内外干扰物、容易产生污染的物质，避免外界因素导致的空气质量监测误差。③定期核查监测设备的参数设置、仪器信息是否合规，保障监测系统符合最佳监测状态，降低空气质量数据采集的错误概率[7]。④最后，要确保监测站的通信畅通，如电话、网络等设备，可与外界实时进行信息交互。（2）采样设备仪器维护。经常性清洗颗粒物的采样头，并周期性校正污染物的流量设置情况，按照国家和上级部门的统一标准执行。注重采样设备的滤膜更换，滤膜更换要在抽气泵停止工作的状态下进行，阻止颗粒物进入仪器内部[8]；然后对过滤器的定位环进行破损检查、酒精擦拭操作，替换崭新的滤膜后回归原样；此步骤要保障过滤器和压膜环之间无缝隙，方可正常启动抽气泵。（3）数据审核维护。监测站管理人员要做好数据审核工作，遵循严格的数据审核制度。管理人员可根据污染因子与气象因子的相关程度、空气质量数据规律趋势确定所采集数据是否合理、有效，如零点漂移引起的监测数据非正值，可视为没有检测结果输出。所以，对于数据审核的后期维护工作而言，需要管理人员具有一定数据审核经验与知识储备[9]，才能正确保留有效的空气监测数据。

4结论

社会不断发展进步，人们对于赖以生存的空气资源提出了更高的质量要求，使得空气质量监测上升为社会各界关注的热点话题。除此之外，控制环境质量监测也是生态环保工作的重中之重。为提高社会可持续发展水平，目前我国城市空气监测站已经广泛布局建设，但是对于乡镇地区的空气监测力度有待提升。空气监测呈现的不仅仅是区域空气质量发展趋势，更重要的是环保决策部门可以利用空气监测数据做出区域空气保护规划，对污染严重以及存在污染风险的地区进行控制与管理。目前，自动化已经成为空气监测的重点方向，未来将呈现智能化发展趋势。总体而言，空气监测工作需要长期开展和维护，在信息时代逐渐成熟的社会背景下，信息化将成为解决空气数据采集量大、对象复杂、种类繁多等问题的良好契机，弥补人为统计记录信息的不足。国家大数据实施也为空气监测信息化奠定了技术基础、提出更高的标准，构建大数据信息监测平台，加大乡镇地区空气监测的网络化、信息化水平指日可待。

参考文献

[1]倪淋一，杨旻，孙升琦，等.基于GSM的室内空气质量监测系统设计[J].机电信息，2015（15）：127-128.

[2]郝艳斌.试论提升环境空气自动监测管理技术[J].资源节约与环保，2018（3）：90-91.

[3]王兴杰.探析环境空气自动监测中的质量保证和控制[J].北方环境，2018（6）：128-129.

[4]郑昱，张奇.基于物联网技术的环境空气质量自动监测站智能化建设与管理[J].广东化工，2016（10）：198-199.

[5]王延文，何赫，赵志杰，等.基于多传感器的空气质量监测系统设计[J].电子器件，2019，42（4）：1012-1017.

[6]邢梦林，张军，王潇磊，等.河南省环境空气自动监控系统设计与研究[J].环境科学与管理，2013（11）：111-116.

[7]邹恋.环境空气自动监测系统的质量控制[J].环境与发展，2019（3）：123，125.

[8]王欣宇.浅谈空气自动监测站的日常维护[J].黑龙江环境通报，2018（2）：59-61.

[9]张佳音，李扬扬，蒙瑞丽，等.空气自动监测质量控制研究与探讨[J].地下水，2015（2）：179-180.

作者:李勇 李婉晴 单位:1.驻马店市生态环境局西平分局 2.郑州大学西亚斯国际学院