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(wèn)題，目前研發(fā)的相關(guān)檢測(cè)儀器包括 HANDHELA3016IAQ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。

圖 1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

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。

圖 2 設(shè)計(jì)實(shí)物

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 20mA），可搭載高達(dá) DC7V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 0.5V/0.1mg/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(kāi)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停空氣凈化設(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(jiàn)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。