蔣欣秀， 趙一帆， 郭 嘉， 朱元靜， 丁洪偉

(1.云南大學(xué) 信息學(xué)院， 云南 昆明 650000；2.云南民族大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院， 云南 昆明 650000；3. 云南省廣播電視局科技處， 云南 昆明 650000)

0 引言

空氣質(zhì)量問題[1]一直是一個(gè)熱點(diǎn)問題。這些年來，空氣問題造成的各種現(xiàn)象層出不窮，隨著社會的不斷發(fā)展對空氣的污染也愈演愈烈，這些因素很大程度上危及著人類的生命。在城市中尾氣的排放等污染源使得污染氣體在空氣中傳播，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境的形勢岌岌可危。在一些空氣不流通的場所，由于人員的密度比較大造成了污染氣體的積累，使空氣質(zhì)量不斷下滑，根據(jù)這些情況采取相應(yīng)措施以減少因空氣質(zhì)量問題對人體造成的傷害[2]，同時(shí)幫助管理人員根據(jù)室內(nèi)空氣質(zhì)量變化分析以制定場內(nèi)管理措施，預(yù)防公共安全事故發(fā)生[3]。在空氣質(zhì)量備受關(guān)注的今天，各個(gè)地區(qū)規(guī)劃安裝環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測站，但這些監(jiān)測站只能測量平均空氣質(zhì)量，由于氣體的在空氣中擴(kuò)散的速度不同，這樣會導(dǎo)致固定的監(jiān)測站所測量的空氣指數(shù)與不同地點(diǎn)實(shí)際的數(shù)據(jù)不相符，而移動(dòng)的監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)流動(dòng)式的監(jiān)測、突發(fā)事件處理后的空氣質(zhì)量應(yīng)急監(jiān)測以及重點(diǎn)污染地方的監(jiān)測[4]。

如今，人們對手機(jī)的依賴程度越來越高，而手機(jī)作為一種應(yīng)用程序APP(Application)的媒介，在APP盛行的時(shí)代，將APP與空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合可以隨時(shí)采集空氣質(zhì)量的數(shù)據(jù)[5]，對空氣質(zhì)量的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測更方便快捷的讓我們了解指定地點(diǎn)的空氣指數(shù)，可以提醒我們采取相應(yīng)的措施，對整個(gè)環(huán)境的保護(hù)起到了重要的推動(dòng)作用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的空氣質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)大多是固定的裝置存在諸多的不足，但人們希望方便快捷地獲取空氣質(zhì)量的監(jiān)測數(shù)據(jù)。本文介紹的移動(dòng)空氣質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控模塊和智能手機(jī)APP模塊構(gòu)成，以單片機(jī)為核心，共同使用一對藍(lán)牙模塊和一個(gè)APP模塊，在控制模塊中，指令通過藍(lán)牙傳送與單片機(jī)進(jìn)行通信，將指令發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)接收指令后對L298N驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行控制從而實(shí)現(xiàn)對馬達(dá)轉(zhuǎn)速的控制，電機(jī)的不同轉(zhuǎn)向和不同轉(zhuǎn)速可以控制小車前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、加速和減速。當(dāng)粉塵傳感器采集到空氣質(zhì)量產(chǎn)生的模擬數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)進(jìn)入ADC0832芯片，在芯片內(nèi)部進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，最后產(chǎn)生的數(shù)字信號可以被傳輸?shù)绞謾C(jī)之中，最后通過手機(jī)端的APP顯示出來?？傮w框圖如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件部分主要是負(fù)責(zé)接收到APP的控制指令將小車遙控到指定地點(diǎn)，并處理傳感器采集到的空氣質(zhì)量的數(shù)據(jù)，其流程圖如圖2所示。

根據(jù)APP發(fā)送給單片機(jī)的指令是否為中斷指令，以“stop”來命名中斷指令，當(dāng)接收中斷指令時(shí)候就進(jìn)入采集PM2.5的程序，對數(shù)據(jù)處理并傳回手機(jī)APP，如果收到指令“forward”就執(zhí)行前進(jìn)程序，收到指令“back”就執(zhí)行后退程序，收到指令“right”就執(zhí)行右轉(zhuǎn)程序，收到指令“l(fā)eft”就執(zhí)行左轉(zhuǎn)程序。

圖2 小車工作流程圖

2.1 核心控制模塊設(shè)計(jì)

STC89C52RC芯片作為核心控制芯片[6]，外部選用的晶振為12MHz的石英晶振，此芯片的性能優(yōu)于初代單片機(jī)，指令代碼完全兼容，十六位定時(shí)器和四個(gè)外部中斷，所能夠支持的最高工作頻率達(dá)到35MHz，速度非常快。

2.2 PM2.5檢測模塊設(shè)計(jì)

1)粉塵傳感器的工作原理

GP2Y1014AU粉塵傳感器[7]是一款光學(xué)灰塵監(jiān)測的傳感器模塊，在其中間有一個(gè)氣孔。空氣可以自由流過，它里面對角位置放著紅外發(fā)光二極管和光電晶體管，紅外發(fā)光二極管定向發(fā)送紅外，當(dāng)空氣中有微粒阻礙紅外時(shí)，紅外線發(fā)生漫反射，光電晶體管接收到紅外，所以信號輸出引腳電壓發(fā)送變化，其灰塵濃度每變化0.1mg/m3，輸出電壓變化0.5V。

2)粉塵的檢出判定

由于煙是連續(xù)表現(xiàn)出較高的輸出電壓，灰塵是間隔的表現(xiàn)出較高的輸出電壓[8]，關(guān)于煙塵的檢出判定可表示為：

可檢測出的范圍(輸出電壓可變范圍(V)) = 輸出電壓范圍Voh (V) -無塵時(shí)輸出電壓Voc(V)

檢出粉塵濃度范圍(mg/m3) = 檢出可能范圍(輸出電壓可變范圍(V)) ÷檢出感度K(V/(0.1mg/m3)

煙塵檢出的情況下，其判定值如下：

判定值=檢出濃度(mg/m3) + 10×K(V/(0.1mg/m3) + 無塵時(shí)輸出電壓(V)

2.3 智能車驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)電路選擇L298N芯片[9]，該芯片的主要控制方法是改變控制端高低電平出現(xiàn)的時(shí)間，進(jìn)而控制PWM脈沖寬度調(diào)制。通過輸入電平大小不同和電平保持時(shí)間不同來產(chǎn)生不同的電壓，電平保持時(shí)間長，PWM的脈寬就越寬則電壓越大，反之電平保持時(shí)間越短，PWM的脈寬就越窄則電壓越小，通過這樣的方式能夠控制電壓的大小變化，控制電壓越大，則電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，控制電壓越小轉(zhuǎn)速越慢，因此可以對小車進(jìn)行加速和減速操作。其電路圖如圖3所示。

圖3 小車驅(qū)動(dòng)模塊電路圖

2.4 藍(lán)牙模塊設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)選用的藍(lán)牙模塊是BT08B藍(lán)牙模塊，該模塊為主從模塊，在收發(fā)效率上十分靈活，遙控車的遙控距離適合，并且體積不大，能夠有效地裝在小車上，短距離傳輸很快，在單片機(jī)與藍(lán)牙的雙向通信中，PM2.5的數(shù)據(jù)通過單片機(jī)的TXD發(fā)送出去，在手機(jī)端的RXD上就會讀到單片機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括APP端數(shù)據(jù)的收發(fā)以及藍(lán)牙模塊數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)。具體的流程如圖4所示。

該系統(tǒng)需要通過藍(lán)牙來傳輸數(shù)據(jù)，在傳輸數(shù)據(jù)之前需要判斷藍(lán)牙是否開啟，如果檢測到藍(lán)牙已經(jīng)開啟進(jìn)入附近的藍(lán)牙地址進(jìn)行搜索，當(dāng)選擇藍(lán)牙模塊連接并連接藍(lán)牙，連接成功之后開啟線程，線程分為發(fā)送線程和接收線程，當(dāng)開啟的是發(fā)送線程，如果檢測到有監(jiān)聽鍵按下時(shí)就可以傳輸數(shù)據(jù)，此時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是用于控制小車，沒有監(jiān)聽鍵按下時(shí)就等待按鍵；當(dāng)開啟的是接收線程，檢測是否有數(shù)據(jù)從單片機(jī)傳入，當(dāng)有檢測到數(shù)據(jù)傳入時(shí)就在屏幕上顯示數(shù)據(jù)。

圖4 軟件流程圖

3.1 APP Inventor介紹

該系統(tǒng)的APP模塊是基于APP Inventor開發(fā)平臺實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)開發(fā)平臺是基于網(wǎng)頁編程的可在線開發(fā)軟件，其中的程序是通過可以顯示具有交互性的指令模塊來實(shí)現(xiàn)的，可以使用不同的模塊定義不同的功能[10]。當(dāng)手機(jī)與開發(fā)的軟件同屬一個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，開發(fā)的APP可以實(shí)時(shí)顯示在手機(jī)并進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)試。這個(gè)開發(fā)平臺在開發(fā)過程中有三個(gè)可操作性界面，分別為項(xiàng)目界面、設(shè)計(jì)界面、程序模塊界面。項(xiàng)目界面可以用于完成一些項(xiàng)目的建立或者將一些項(xiàng)目刪除，也可以是實(shí)現(xiàn)將項(xiàng)目導(dǎo)入導(dǎo)出；設(shè)計(jì)界面由面板欄、視圖欄、組建欄、媒體欄組成，可實(shí)現(xiàn)圖片聲音等素材的上傳以及界面的設(shè)計(jì)工作；程序模塊界面用于程序的編輯和模塊的拼接。

3.2 手機(jī)界面設(shè)計(jì)

首先新建一個(gè)car_control_button項(xiàng)目，準(zhǔn)備了一個(gè)按鈕的圖片可以更名為qj.png、ht.png、yz.png、zz.png，通過Media面板上傳。手機(jī)遙控小車[11]的界面設(shè)計(jì)上方為PM2.5顯示按鈕，下方為VerticalArrangement組件來放置除ListOicker以外的所有組件，用HorizontalArrangement來放置轉(zhuǎn)向、前進(jìn)、后退加速減速按鈕，在放置這些按鈕時(shí)采用了相對布局形式，將Screen屬性Title設(shè)置為“藍(lán)牙小車控制”。當(dāng)手機(jī)與藍(lán)牙之前，隱藏該操作界面，此時(shí)應(yīng)將操作界面設(shè)置的排版設(shè)置為“hidden”，當(dāng)手機(jī)與藍(lán)牙連接之后顯示用戶界面。

3.3 藍(lán)牙模塊設(shè)計(jì)

該部分由兩個(gè)模塊來完成，Screen1模塊用來完成屏幕的跳轉(zhuǎn)，Screen2模塊用來定義全局變量和控制藍(lán)牙連接斷開，在讀取藍(lán)牙裝置之前將ListPickerConnect列表中的元件設(shè)定為設(shè)備藍(lán)牙裝置清單，連接成功時(shí)，將不同的按鈕設(shè)置成可按，當(dāng)點(diǎn)擊“確認(rèn)”按鈕，手機(jī)端可以與藍(lán)牙進(jìn)行連接，當(dāng)藍(lán)牙和手機(jī)連接成功后手機(jī)的屏幕將會顯示“連接成功”，并激活時(shí)鐘。

4 測試結(jié)果

本設(shè)計(jì)監(jiān)測裝置是由小車和粉塵傳感器組成，其實(shí)物圖和實(shí)驗(yàn)室測試場景如圖5所示。

圖5 裝置實(shí)物圖和實(shí)驗(yàn)室測試場景

選擇的信息學(xué)院實(shí)驗(yàn)室、云南大學(xué)操場、學(xué)生宿舍走廊三個(gè)場景作為測試點(diǎn)進(jìn)行測試，記錄了一天中三個(gè)時(shí)段的空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)，并把測量的結(jié)果與市面上的?？酥莿?dòng)B6A空氣質(zhì)量檢測儀所測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,這種空氣質(zhì)量監(jiān)測儀是利用微電腦激光和交流靜電感應(yīng)原理來檢測空氣中PM2.5濃度的檢測儀器，內(nèi)置濾膜在線采樣器在連續(xù)監(jiān)測粉塵濃度的同時(shí)，可收集到顆粒物，以便對其成份進(jìn)行分析，并求出質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)換系數(shù)K值，可直讀粉塵質(zhì)量濃度，量程可在0～999ug/m3，精度為±15%，將本設(shè)計(jì)與該產(chǎn)品作比較其結(jié)果如表1所示。

由于本設(shè)計(jì)的采樣點(diǎn)裝置是通過限流孔內(nèi)的顆粒濃度判斷采樣值，在采樣過程中難免有灰塵在限流孔里面積累導(dǎo)致所測量的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)比市面上的數(shù)據(jù)整體偏高，但誤差均在10%以內(nèi)，可表明此設(shè)計(jì)切合實(shí)際。從以上的數(shù)據(jù)顯示來看，室內(nèi)的PM2.5值相對穩(wěn)定，在室外和半開放式的走廊中，一天中的PM2.5的值都呈現(xiàn)了早高晚低的情況，尤其早上的污染較為嚴(yán)重，極有可能因?yàn)槌鞘性缟系慕煌ㄎ廴驹驅(qū)е翽M2.5值上升，也可能由于隨著太陽的上升，地面溫度開始上升，熱空氣開始上升，地面的污染物擴(kuò)散的情況，導(dǎo)致所測值較高。

為了驗(yàn)證該設(shè)計(jì)的測量精度，把外界造成的影響因素降低到最低，再次對該設(shè)計(jì)的空氣質(zhì)量監(jiān)測部分的限流孔進(jìn)行處理，我們對比了限流孔內(nèi)的清潔后的空氣質(zhì)量監(jiān)測的數(shù)據(jù)，結(jié)果如表2所示。

表1 測試結(jié)果

表2 清潔前后測試結(jié)果

由于本設(shè)計(jì)的采樣點(diǎn)裝置是通過限流孔內(nèi)的顆粒濃度判斷采樣值，在采樣過程中難免有由上表可得出空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)在清潔后的誤差有明顯的下降，清潔后的測量結(jié)果接近市面上空氣質(zhì)量檢測儀的測量結(jié)果，誤差在1%以內(nèi)，而通過此次測試，可以看出灰塵的積累對傳感器的采集存在較大影響。因此在測量之前，我們可以將空氣質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器進(jìn)行清潔之后再測量數(shù)據(jù)，所得結(jié)果更接近真實(shí)情況。

5 結(jié)語

該系統(tǒng)以單片機(jī)作為核心控制模塊，基于STC89C52RC芯片，構(gòu)建了PM2.5空氣質(zhì)量傳感器、L298N驅(qū)動(dòng)、藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳送、APP模塊作為關(guān)鍵功能模塊。在核心控制和關(guān)鍵功能等模塊作用下，該系統(tǒng)能夠通過APP將小車遙控到指定的地點(diǎn)，測量該點(diǎn)的空氣質(zhì)量指數(shù)，并將空氣質(zhì)量指數(shù)返回到APP上。經(jīng)測試，該設(shè)計(jì)監(jiān)測的PM2.5數(shù)值與市面上的監(jiān)測儀數(shù)據(jù)誤差不大，設(shè)計(jì)基本滿足要求。