任凱旋+楊剛+高沖+徐鵬飛+陳一南

摘 要：在傳統(tǒng)空氣質(zhì)量監(jiān)測中，設(shè)立區(qū)域監(jiān)測站往往存在設(shè)備昂貴，監(jiān)測點(diǎn)稀少，維護(hù)費(fèi)用大等缺點(diǎn)。針對這一問題，文中提出了一種基于手機(jī)的分布式空氣粉塵檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用手機(jī)安卓系統(tǒng)搭載粉塵傳感器構(gòu)成便攜式空氣粉塵檢測裝置，利用大眾使用手機(jī)的廣泛性、數(shù)目龐大的多個該裝置構(gòu)成分布式測量體系，方便檢測各區(qū)域的用戶空氣狀況，再結(jié)合手機(jī)GPS定位數(shù)據(jù)，傳送至微信或網(wǎng)站的服務(wù)器，經(jīng)運(yùn)算得到更準(zhǔn)確的各區(qū)域空氣數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共享。該系統(tǒng)極具成本維護(hù)優(yōu)勢且便于應(yīng)用，空氣數(shù)據(jù)更有針對性。

關(guān)鍵詞：空氣質(zhì)量；分布式測量；GPS定位；網(wǎng)絡(luò)共享

中圖分類號：TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）07-00-03

0 引 言

近年來，隨著工業(yè)化程度的不斷加深，我國各地PM2.5與PM10等粉塵顆粒物導(dǎo)致的霧霾天氣頻繁發(fā)生，如何更好地監(jiān)測與保護(hù)我們生存的空氣質(zhì)量，已經(jīng)成為迫切需要解決的問題[1]。

傳統(tǒng)的空氣質(zhì)量監(jiān)測，往往都是在城市的各個區(qū)域分別設(shè)立有限個空氣監(jiān)測站來獲取該區(qū)域總體的空氣質(zhì)量指數(shù)[2，3]。因監(jiān)測站設(shè)備昂貴，這一方式的監(jiān)測布點(diǎn)往往很少很散，且所測數(shù)據(jù)并非人們所關(guān)心的身邊區(qū)域的具體數(shù)據(jù)，導(dǎo)致測量的數(shù)據(jù)不夠細(xì)致化，對區(qū)域環(huán)境的評估不夠精確化，進(jìn)而會導(dǎo)致區(qū)域環(huán)境的治理不夠細(xì)致靈活，沒有很強(qiáng)的針對性，同時對這些空氣監(jiān)測站的周期維護(hù)也費(fèi)時費(fèi)力。

基于上述背景，我們獨(dú)辟蹊徑，采用了分布式測量的思想，提出基于手機(jī)外接一個小巧的低成本低精度的粉塵傳感器來檢測空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)[4]，利用人們使用手機(jī)的廣泛性，當(dāng)大量用戶利用該裝置將自己身邊區(qū)域的空氣粉塵檢測數(shù)據(jù)與利用手機(jī)GPS定位得到的測量點(diǎn)的地理位置信息上傳至微信平臺或網(wǎng)站服務(wù)器后，經(jīng)過統(tǒng)計匯總和處理，從而得到人們所關(guān)心區(qū)域的，具有代表性的，相對準(zhǔn)確的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)。同時，我們也利用現(xiàn)有的微信或網(wǎng)絡(luò)平臺，來實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量信息的共享，讓人們隨時隨地了解到最新的各個區(qū)域的空氣狀況，便于用戶選擇一個更加健康舒適的工作、生活或娛樂環(huán)境，該系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。用這樣的方法來嘗試解決傳統(tǒng)監(jiān)測站監(jiān)測點(diǎn)稀少，樣本稀疏，針對性不強(qiáng)，監(jiān)測設(shè)備和維護(hù)成本高的弊端。另外，我們試圖通過開發(fā)和使用這樣一個安卓手機(jī)APK應(yīng)用軟件，讓我們每一個人都參與進(jìn)來，不只是作為空氣數(shù)據(jù)的采集與提供者，更重要的是讓這種關(guān)注并參與環(huán)保的方式流行起來，使得每個人都將環(huán)保這種理念深入內(nèi)心。

本文將針對該系統(tǒng)，主要從系統(tǒng)設(shè)計方案，功能實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這三大部分進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1 結(jié)構(gòu)組成

該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成分為手機(jī)外接粉塵濃度檢測裝置的設(shè)計，安卓手機(jī)的APK軟件開發(fā)，以及微信平臺及網(wǎng)站的搭建共享這三大部分，其結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)組成圖

由圖2我們可以很清楚地看到數(shù)據(jù)流在各模塊中的傳輸過程：首先，手機(jī)通過我們開發(fā)的APK軟件，一方面經(jīng)由藍(lán)牙串口模塊獲取Arduino nano[5]上從粉塵傳感器模塊得到的空氣質(zhì)量信息；另一方面直接從手機(jī)GPS模塊上獲取地理位置信息。然后將獲取到的兩種信息同時上傳到微信公眾平臺及網(wǎng)站上，進(jìn)行數(shù)據(jù)的匯總和處理后，手機(jī)可以獲取到平臺上各區(qū)域的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

1.2 功能劃分

從功能上來說，我們可以將其分為空氣中粉塵濃度信息的檢測，藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸，地理位置信息的采集，位置與空氣質(zhì)量信息的上傳，基于網(wǎng)絡(luò)平臺的信息共享五個主要功能：

（1）粉塵濃度信息的檢測主要測量的是單位體積內(nèi)顆粒物的數(shù)量，通過該數(shù)量與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較得到空氣質(zhì)量的最終評判。其功能是通過用Arduino程序開發(fā)來實(shí)現(xiàn)的[6]。

（2）通過藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)外接檢測設(shè)備與手機(jī)端之間的信息傳輸，使我們所檢測到的信息可以有效地顯示到我們的手機(jī)端，并做后續(xù)的處理。

（3）地理位置信息的采集可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)緯度數(shù)據(jù)的獲取，是通過APK軟件開發(fā)利用接口函數(shù)從手機(jī)自身的GPS模塊來獲取的[7]。

（4）位置與空氣質(zhì)量信息的上傳是通過APK軟件開發(fā)利用微信平臺的上傳接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。

（5）網(wǎng)絡(luò)是傳播信息的最好平臺，因此為了能夠使得該系統(tǒng)在社會層面上發(fā)揮最大的效果，我們注重利用網(wǎng)絡(luò)手段來構(gòu)建我們的信息發(fā)布平臺。主要做了專用網(wǎng)站以及微信公眾平臺，用來定時發(fā)布我們的空氣質(zhì)量信息，并且給出具有指導(dǎo)意義的建議。

2 功能實(shí)現(xiàn)

2.1 空氣粉塵檢測裝置硬件電路

該檢測裝置的空氣粉塵傳感器，我們選用的是夏普GP2Y1010AU0F粉塵傳感器，主控CPU采用開源的Arduino nano子板，通過藍(lán)牙通信與手機(jī)進(jìn)行空氣質(zhì)量的無線數(shù)據(jù)傳輸，相應(yīng)的硬件電路圖如圖3所示。

管腳說明：

（1）Nano板：pin1（VCC）、pin2（GND）、pin23（A0）、pin22（D2）、pin24（GND）；

（2）藍(lán)牙：pin4（TXD）、pin5（RXD）、pin3（GND）、pin2（VCC）；

（3）傳感器：pin1（V-LED）、pin2（LED-GND）、pin3（LED）、pin4（S-GND）、pin5（Vo）、pin6（Vcc）。

實(shí)驗(yàn)用手機(jī)外接的空氣粉塵檢測裝置實(shí)物如圖4所示。

圖4 空氣粉塵檢測裝置實(shí)物圖

2.2 Arduino nano板的程序設(shè)計

Arduino語言建立在C/C++基礎(chǔ)上，內(nèi)核仍是基礎(chǔ)的C語言，Arduino語言只不過把AVR單片機(jī)（微控制器）相關(guān)的一些參數(shù)設(shè)置都函數(shù)化，不用我們?nèi)チ私馑牡讓?。因此，在一定程度上簡化了我們編寫程序的工作，只需要了解所調(diào)用的函數(shù)就能夠很快地去編譯并調(diào)試好相應(yīng)的功能代碼。而在要設(shè)計的空氣質(zhì)量（粉塵濃度）傳感器功能代碼這一塊，我們所要編寫的程序主要是關(guān)于管腳的定義，相關(guān)延遲的設(shè)定，輸出與輸入接口的設(shè)定，以及根據(jù)傳感器說明上電壓值和單位體積內(nèi)粉塵顆粒物數(shù)量值的轉(zhuǎn)化關(guān)系公式以及一些判定語句的編寫。

2.3 安卓手機(jī)APK軟件開發(fā)

APK軟件開發(fā)根據(jù)功能可分為兩個部分：

（1）通過藍(lán)牙獲取空氣質(zhì)量信息。

關(guān)于藍(lán)牙我們在手機(jī)端的實(shí)現(xiàn)上必須要有一個自身藍(lán)牙是否打開的判斷，然后搜索粉塵檢測裝置上的藍(lán)牙設(shè)備，直到最后才是藍(lán)牙設(shè)備與手機(jī)之間的通信和數(shù)據(jù)傳輸[8]。

（2）GPS地理位置信息的獲取。

在這一塊，當(dāng)我們需要使用Google Map的時候，就必須要使用谷歌地圖（Google Map）API接口函數(shù)的key，因此要先注冊一個開發(fā)者key。然后還要產(chǎn)生開發(fā)期間的MD5密鑰，并且需要在布局文件中增加MapView控件。而且由于我們的應(yīng)用需要調(diào)用Google Map的數(shù)據(jù)，以及通過手機(jī)的GPS獲得相關(guān)地理位置數(shù)據(jù)，所以我們必須在Android的Manifest文件中進(jìn)行權(quán)限設(shè)置。

2.4 微信平臺和網(wǎng)站的搭建共享

微信平臺的搭建共享，因?yàn)樵谄浯罱〞r騰訊給出了具體的向?qū)Ш椭改?，所以在此不做贅述，這里只做一個功能的介紹。首先我們的微信平臺會統(tǒng)計所有采集來的數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)算法處理[9]，然后將得到的數(shù)值在微信平臺及網(wǎng)站上定時發(fā)布[10]。用戶可以利用微信等訪問這些區(qū)域的空氣數(shù)據(jù)。除此之外我們還會根據(jù)我們檢測到的環(huán)境和空氣數(shù)據(jù)信息為用戶推薦一些適合休閑娛樂的區(qū)域作為參考。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

我們選取了三種不同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，對該空氣檢測裝置和整個系統(tǒng)進(jìn)行了多次測試，平均后得到相應(yīng)的空氣質(zhì)量PPM值，如表1所列。

表1 三種實(shí)驗(yàn)環(huán)境下空氣檢測PPM值

實(shí)驗(yàn)環(huán)境 PPM值 等級評判

學(xué)校操場 578 正常

網(wǎng)吧 3 782 差

施工工地 6 782 差

通過測試結(jié)果可以看出，數(shù)據(jù)和真實(shí)生活感受相符，對于空氣中粉塵顆粒物的濃度，學(xué)校操場室外為正常，網(wǎng)吧空氣質(zhì)量因室內(nèi)封閉且抽煙人多而變差，施工工地因現(xiàn)場操作揚(yáng)塵因而空氣質(zhì)量是最差的，說明該空氣檢測裝置和系統(tǒng)可以正確檢測出某個區(qū)域的空氣質(zhì)量狀況。

4 結(jié) 語

手機(jī)是現(xiàn)代通信最普遍的方式，對于生活在現(xiàn)代社會中的人，手機(jī)早已經(jīng)演化成我們生活中不可或缺的一部分，而且手機(jī)的功能越來越強(qiáng)大，為手機(jī)搭載各種不同的傳感器早已經(jīng)不再新鮮。因此，我們所設(shè)計的為手機(jī)搭載空氣質(zhì)量檢測傳感器在技術(shù)上完全是可行的，在制作工藝上也并不復(fù)雜。當(dāng)然，如果傳感器能做的更小一些，我們完全可以將傳感器內(nèi)嵌到手機(jī)里，使產(chǎn)品更加完美。

另外，我們采用分布式測量的新思路，用低成本的粉塵檢測器件實(shí)現(xiàn)對空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的收集，通過服務(wù)器平臺統(tǒng)計處理大量類似數(shù)據(jù)，以數(shù)量換精度，可以得到人們所需要的身邊的相對準(zhǔn)確的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)。由于手機(jī)的普遍性，使所測量的數(shù)據(jù)更加龐大細(xì)致，如果將該海量數(shù)據(jù)作為一個環(huán)境治理的參考依據(jù)，可以使治理的區(qū)域劃分的更加具體，使環(huán)境治理的方案做的更加細(xì)致，使治理的對象和手段更具針對性和多樣化。

通過我們監(jiān)測的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，人們可以方便地了解到自己身邊位置的有針對性的具體空氣信息，人們還可以隨時隨地的查詢即將前往區(qū)域的空氣信息。我們還可以為用戶提供更健康更環(huán)保的區(qū)域場所作為參考選擇，也可以以社交網(wǎng)絡(luò)的方式將我們所處區(qū)域的空氣質(zhì)量信息分享到好友圈?？梢灶A(yù)見，當(dāng)手機(jī)監(jiān)測空氣質(zhì)量成為一種習(xí)慣一種風(fēng)尚時，也就意味著越來越多的人正在習(xí)慣性的關(guān)注著我們身邊所處的環(huán)境，那么當(dāng)這一天到來的那一刻，我們的環(huán)境一定會更加美好。

參考文獻(xiàn)

[1]孫秀艷.2013年74個城市空氣質(zhì)量狀況報告[N].人民日報，2014-3-26.

[2]丁勝，馮雪.淺論空氣質(zhì)量檢測方法[J].污染防治技術(shù)，2013，26 （1）：45-46.

[3]中國環(huán)境監(jiān)測總站.《環(huán)境空氣顆粒物（PM10和PM2.5）連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測方法》[S].2013-7-30.

[4]夏普公司.夏普GP2Y1010AU0F粉塵傳感器產(chǎn)品說明書[R].https：//www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/gp2y1010au_e.pdf.

[5] MASSIMO Banzi.愛上Arduino[M].于欣龍，郭浩赟，譯.北京：人民郵電出版社，2012.

[6] RETO Meier. Android 4.高級編程（第三版）[M].佘建偉，趙凱，譯.北京：清華大學(xué)出版社，2013.

[7]李剛.瘋狂java講義（第二版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[8]GREG Milette， ADAM Stroud. Android傳感器高級編程[M].裴佳迪，譯.北京：清華大學(xué)出版社，2013.

[9]戴江.環(huán)境空氣質(zhì)量狀況分析[J].中國科技縱橫，2010（15）：20-21.

[10]張新曼.精通JSP-WEB開發(fā)技術(shù)與典型應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2007.