鄭陽(yáng) 陳美玲 李欣鵬 陳帥

摘 要：限于現(xiàn)有的PM2.5濃度檢測(cè)儀器品種單一，交互數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程可視化傳輸差等特點(diǎn)，結(jié)合單片機(jī)技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)，提出一種基于WiFi遠(yuǎn)程檢測(cè)與傳輸PM2.5數(shù)值檢測(cè)儀設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)采用工業(yè)技術(shù)中常用的夏普光學(xué)灰塵傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以串口工作方式將數(shù)據(jù)傳輸至MCU，同時(shí)結(jié)合單片機(jī)最小系統(tǒng)進(jìn)行分析和算法處理。處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)MCU以WiFi方式傳輸至手機(jī)APP。該設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的儀器相比，測(cè)量精度達(dá)

0.5 V/0.1 mg/m3，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程可視化傳輸能力，且制作成本低，方便多種場(chǎng)合使用，完全可滿足人們對(duì)于生活環(huán)境質(zhì)量的要求。

關(guān)鍵詞：WiFi;手機(jī)APP;PM2.5;檢測(cè)儀器;MCU;藍(lán)牙

中圖分類號(hào)：TP39;TH89文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）08-00-02

0 引 言

近年來(lái)，我國(guó)多省份發(fā)生霧霾天氣，北京、南京、重慶等城市霧霾污染情況尤為嚴(yán)重，持續(xù)的霧霾天氣容易造成嚴(yán)重的交通事故，并為人們的日常學(xué)習(xí)、生活帶來(lái)巨大的影響，嚴(yán)重者甚至?xí)绊懮眢w健康[1]。針對(duì)以上問題，目前研發(fā)的相關(guān)檢測(cè)儀器包括HANDHELA 3016 IAQ空氣質(zhì)量PM2.5檢測(cè)儀、博華康生PM2.5檢測(cè)儀、博朗通空氣檢測(cè)儀、漢王霾表空氣檢測(cè)儀、貝立特測(cè)試儀器、MC妙創(chuàng)多功能空氣檢測(cè)儀等，但通過(guò)對(duì)比以上空氣檢測(cè)儀器，發(fā)現(xiàn)多數(shù)產(chǎn)品價(jià)格偏高，交互數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程可視化傳輸差，部分產(chǎn)品甚至需要生產(chǎn)廠商或者專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行操作，導(dǎo)致普及性較差，無(wú)法滿足用戶需求[2-5]。

1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)包括MCU處理器模塊、電源模塊、傳感器、串口藍(lán)牙模塊、ESP8266串口WiFi模塊及LCD1602顯示屏模塊，結(jié)構(gòu)如圖1所示。以單片機(jī)為主控，夏普光學(xué)粉塵傳感器檢測(cè)的數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)處理后經(jīng)LCD1602顯示并通過(guò)WiFi將數(shù)據(jù)傳輸至手機(jī)APP，由手機(jī)APP進(jìn)行處理顯示。

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要包括電源座模塊、ESP8266串口WiFi模塊、LCD1602顯示屏模塊、夏普光學(xué)粉塵傳感器模塊、串口藍(lán)牙模塊，設(shè)計(jì)的儀器實(shí)物如圖2所示。將一個(gè)紅外發(fā)光二極管和光電晶體管通過(guò)對(duì)角布置，以檢測(cè)空氣中的灰塵反射光，從而更好地使夏普光學(xué)粉塵傳感器模塊檢測(cè)當(dāng)前環(huán)境中PM2.5的含量，傳感器通過(guò)杜邦線與單片機(jī)相連，使單片機(jī)能夠控制顯示屏顯示當(dāng)前環(huán)境的PM2.5數(shù)值，同時(shí)將數(shù)值通過(guò)ESP8266串口WiFi模塊傳遞到事先設(shè)計(jì)的用戶APP上。

2.1 WiFi模塊的選取

ESP8266是Ai-Thinker公司推出的一款無(wú)線WiFi模塊，可與單片機(jī)通過(guò)串口通信，利用WiFi傳輸數(shù)據(jù)，并通過(guò)UART接口由Arduino發(fā)送AT命令控制其功能[6]。ESP8266有兩種工作模式，分別是Station模式以及AP模式，Station模式用來(lái)連接無(wú)線路由器進(jìn)行工作;AP模式則將ESP8266作為熱點(diǎn)由手機(jī)連接（或無(wú)線路由器）進(jìn)行工作。筆者采取AP模式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸功能。

2.2 傳感器的選取

夏普光學(xué)粉塵傳感器（GP2Y1014AU0F）檢測(cè)極細(xì)顆粒的效果較好，如香煙煙霧等，它是常用的空氣凈化器系統(tǒng)。該傳感器具有極低的電流消耗（最大20 mA），可搭載高達(dá)

DC 7 V的傳感器。輸出的模擬電壓正比于所測(cè)得的粉塵濃度，敏感性為0.5 V/0.1 mg/m3。

2.3 電路

設(shè)計(jì)電路分為如下兩部分：

（1）用來(lái)檢測(cè)外界PM2.5含量值的檢測(cè)電路;

（2）通過(guò)WiFi傳輸數(shù)據(jù)給用戶并將數(shù)值顯示在數(shù)字型液晶顯示屏的顯示電路。

檢測(cè)電路主要由電源插座、傳感器、單片機(jī)構(gòu)成，如圖3所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

移動(dòng)客戶端的主要功能是顯示來(lái)自單片機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)

據(jù)[7-10]。移動(dòng)用戶端的APP可用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，通過(guò)手機(jī)及儀器，用戶可以采集各環(huán)境中的PM2.5數(shù)值而無(wú)需在場(chǎng)所安裝固定設(shè)備來(lái)觀察采集。手機(jī)APP頁(yè)面可實(shí)時(shí)顯示PM2.5數(shù)值的變化，使得儀器具有較高的實(shí)用價(jià)值。

客戶端基于Android操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)搭建Eclipse軟件開發(fā)環(huán)境來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)系統(tǒng)的界面功能。在Android平臺(tái)搭建客戶端APP，為用戶提供便捷的數(shù)據(jù)獲取途徑，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)基于WiFi的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，也可以為用戶后期啟?？諝鈨艋O(shè)備提供實(shí)時(shí)依據(jù)。

4 數(shù)據(jù)采集分析

儀器通過(guò)單片機(jī)技術(shù)，結(jié)合交互數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸算法實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確傳輸，將PM2.5濃度數(shù)據(jù)通過(guò)WiFi傳輸?shù)绞謾C(jī)APP。通過(guò)對(duì)前端平臺(tái)地址的設(shè)置，可以正確讀入實(shí)時(shí)的PM2.5檢測(cè)數(shù)值，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的，系統(tǒng)相對(duì)比較簡(jiǎn)潔，能夠滿足用戶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求。采用自研儀器與市面應(yīng)用較多的博朗公司的檢測(cè)儀，分別采集了某日南京奧體監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的PM2.5數(shù)據(jù)，見表1所列。

通過(guò)相關(guān)調(diào)研得到當(dāng)天南京奧體監(jiān)測(cè)站點(diǎn)PM2.5數(shù)值為49 mg/m3，自研儀器平均誤差為2%，且在49 mg/m3上下浮動(dòng)。通過(guò)數(shù)據(jù)比對(duì)，發(fā)現(xiàn)自研儀器的測(cè)量更加準(zhǔn)確，數(shù)值波動(dòng)較小，同理儀器也可在其他場(chǎng)所進(jìn)行檢測(cè)。

5 結(jié) 語(yǔ)

筆者采取了一種通過(guò)以STC89C52單片機(jī)為控制核心、多種模塊及手機(jī)APP結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程檢測(cè)與傳輸PM2.5數(shù)值功能的檢測(cè)儀器，儀器經(jīng)調(diào)試后能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)PM2.5濃度的實(shí)時(shí)檢測(cè)及數(shù)據(jù)傳輸，可靈活應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域和普通家庭用戶。該儀器測(cè)量變化波動(dòng)小，誤差小，比較接近實(shí)際情況，能夠?yàn)闄z測(cè)日常環(huán)境中PM2.5的含量提供方便。本設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程可視化傳輸能力，制作成本低;監(jiān)測(cè)儀除本身帶液晶顯示外，還可將所測(cè)參數(shù)送至智能手機(jī)等移動(dòng)終端，方便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、查詢，顯示方式可隨界面設(shè)計(jì)和功能設(shè)計(jì)而變化，具有多樣化、個(gè)性化等特征。

注：本文通訊作者為陳美玲。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]商喆.智能家居的遠(yuǎn)程控制空氣凈化系統(tǒng)[D].大連：大連理工大學(xué)，2017.

[2]曲娜，譚志遠(yuǎn)，朱琴，等.手機(jī)APP無(wú)線通信環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].通訊世界，2018（7）：44-45.

[3]任春喜.智能家居室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2016.

[4]孫波，李爽.PM2.5檢測(cè)方法及研究進(jìn)展[J].山東化工，2015，44（9）：56-57.

[5] ZHOU W，YUAN X Y，ZHANG L，et al. Overexpression of HO-1 assisted PM2.5-induced apoptosis failure and autophagy related cell necrosis [J]. Ecotoxicology and environmental safety，2017，145（7）：605-614.

[6] ZHANG Y Z，WANG S Y，ZHU J，et al. Effect of atmospheric PM2.5 on expression levels of NF-κB genes and inflammatory cytokines regulated by NF-κB in human macrophage [J]. Inflammation，2018，41（3）：784-794.

[7]高昊.基于光散射原理的礦用激光粉塵濃度傳感器[J].煤礦安全，2016（3）：98-100.

[8]周成，盧守舟.基于便攜式監(jiān)測(cè)儀的空氣PM2.5濃度監(jiān)測(cè)與分析[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2015（12）：84-85.

[9]李萬(wàn)軍，申同強(qiáng)，劉倩.基于WiFi的PM2.5濃度檢測(cè)儀器的設(shè)計(jì)

[J].信息記錄材料，2017，18（3）：65-66.

[10]賈浩強(qiáng)，李耀.基于WiFi無(wú)線通信的溫濕度檢測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2014（5）：70-72.