Arduino 和樂聯(lián)網(wǎng)在PM2.5 實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

肖 凡 馬婭婕 余 湧 萬 勇

(武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430081)

0 引言

PM2.5 是指環(huán)境空氣中空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于2.5 μm 的顆粒物，也稱可入肺顆粒物。雖然PM2.5 只是地球大氣成分中含量很少的組分，但它對空氣質(zhì)量和能見度等有重要的影響，已經(jīng)成為空氣污染的罪魁禍?zhǔn)祝?］。

在實(shí)際監(jiān)測工作中已有很多PM2.5 監(jiān)測系統(tǒng)，這些系統(tǒng)使用ZigBee 節(jié)點(diǎn)和粉塵顆粒物傳感器組建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，并通過GPRS 無線傳輸方式傳輸數(shù)據(jù)的PM2.5 監(jiān)測系統(tǒng)［2］。也有使用Arduino 單片機(jī)的系統(tǒng)，只是數(shù)據(jù)處理通過Raspberry Pi 傳輸?shù)結(jié)eelink 平臺(tái)［3］。隨著監(jiān)測項(xiàng)目的增多，監(jiān)測范圍的擴(kuò)大及點(diǎn)位的密布，價(jià)格昂貴、實(shí)時(shí)性差、系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高等缺點(diǎn)逐漸表現(xiàn)出來。為了解決上述種種問題，本文提出了基于Arduino 和樂聯(lián)網(wǎng)的PM2.5 實(shí)時(shí)監(jiān)測的設(shè)計(jì)方案，方案具有很好的網(wǎng)絡(luò)拓展性能。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

PM2.5 實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)可以按照功能分為三部分:數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)融合與分析［4］、數(shù)據(jù)查詢，如圖1 所示。

圖1 PM2.5 實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of PM2.5 real-time monitoring system

數(shù)據(jù)采集與傳輸:是本系統(tǒng)中的底層硬件，這層包含了系統(tǒng)中所有的硬件管理，包括硬件的設(shè)計(jì)，硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的布置，PM2.5 的采集、存儲(chǔ)及傳輸?shù)?。各個(gè)粉塵顆粒物傳感器進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，都會(huì)對相關(guān)信息進(jìn)行記錄保存，這些信息最終會(huì)實(shí)時(shí)存入樂聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，用戶可以通過多種途徑登錄樂聯(lián)網(wǎng)查看實(shí)時(shí)的PM2.5 值。

數(shù)據(jù)融合與分析:是本系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析的核心層。這層主要對下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，并在曲線圖中實(shí)時(shí)體現(xiàn)出來。同時(shí)，通過發(fā)送新浪微博或者微信的方式告知用戶，可以對下位機(jī)進(jìn)行配置與管理等。

數(shù)據(jù)查詢:用戶只需要登錄樂聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，即可在用戶中心獲取需要的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，根據(jù)已有的PM2.5 曲線圖直觀地了解最近一段時(shí)間PM2.5 的變化情況。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

PM2.5 實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示，設(shè)計(jì)共分為3 個(gè)部分:Arduino Uno、Ethernet W5100 與Sharp GP2Y1010AU0F 傳感器組建的傳感器網(wǎng)絡(luò)、樂聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和遠(yuǎn)程監(jiān)測用戶。系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集與傳輸部分即傳感器網(wǎng)絡(luò)，用于實(shí)現(xiàn)各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)，并將數(shù)據(jù)傳輸至樂聯(lián)網(wǎng)平臺(tái);樂聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)用于接收存儲(chǔ)、分析處理數(shù)據(jù);遠(yuǎn)程監(jiān)測用戶通過手機(jī)、計(jì)算機(jī)，可以訪問樂聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、新浪微博或微信，根據(jù)需求獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of system hardware

2.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)

傳感器網(wǎng)絡(luò)由Sharp GP2Y1010AU0F 粉塵顆粒物傳感器監(jiān)測節(jié)點(diǎn)、Arduino Uno 單片機(jī)與Ethernet W5100 網(wǎng)絡(luò)控制模塊、路由器3 部分組成。其中第二部分是整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)管理運(yùn)行整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)。

(1)傳感器監(jiān)測節(jié)點(diǎn):GP2Y1010AU0F 是一種基于光學(xué)傳感系統(tǒng)的粉塵顆粒傳感器。在傳感器內(nèi)部布置了一個(gè)紅外發(fā)光二極管和一個(gè)光電子躍遷材料晶體管。它能夠有效檢測非常細(xì)小的顆粒物，將濃度值轉(zhuǎn)換成脈沖電壓。傳感器內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Hardware structure of sensor node

其中:①號(hào)為V-LED，接5 V 電壓供電;②號(hào)為LED-GND，接地;③號(hào)為LED，接Arduino 數(shù)字I/O 口的2 端口;④號(hào)為S-GND，接地;④號(hào)為Vo，接Arduino模擬I/O 口的0 端口;⑥號(hào)為Vcc，接5 V 電壓供電。①～③號(hào)接口，主要是保證紅外發(fā)光二極管能夠正常工作;④～⑥號(hào)接口，主要是保證整個(gè)粉塵顆粒物傳感器能夠正常工作。

在整個(gè)PM2.5 實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)中，傳感器監(jiān)測節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)采集所在地的實(shí)時(shí)PM2.5 值，按照網(wǎng)口傳輸協(xié)議發(fā)送給路由器，然后再由各子路由器匯總發(fā)送給總路由器。通過單片機(jī)給③號(hào)接口發(fā)送周期為10 ms的脈沖波，高電平時(shí)間在0.32 ms 左右。觸發(fā)紅外發(fā)光二極管工作發(fā)光，當(dāng)顆粒物通過粉塵顆粒物傳感器時(shí)，光會(huì)產(chǎn)生折射、散射，在到達(dá)光電子躍遷材料晶體管時(shí)光強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化，然后轉(zhuǎn)換成變化的電壓值，通過這樣的工作原理反映顆粒物的濃度值［5］。

(2)單片機(jī)與網(wǎng)絡(luò)模塊:Arduino Uno 是一個(gè)開放源代碼的硬件項(xiàng)目平臺(tái)，該平臺(tái)包括一塊具備簡單I/O功能的電路板以及一套程序開發(fā)軟件［6］。在本系統(tǒng)中，將傳感器的3 號(hào)接口與Arduino 數(shù)字I/O 口的0 端口連接，通過單片機(jī)向LED 接口發(fā)送周期為10 ms的脈沖波。將傳感器的5 號(hào)接口與Arduino 模擬I/O口的2 端口連接，使得單片機(jī)接收來自傳感器的輸出脈沖電壓信號(hào)，并通過一定的函數(shù)關(guān)系將電壓值轉(zhuǎn)換成為對應(yīng)的粉塵顆粒物濃度值即PM2. 5。Ethernet W5100 網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展模塊只需要插入Arduino Uno 主控板的相應(yīng)接口，就可以讀取Arduino 模擬I/O 口的2 端口數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展模塊上的RJ45 接口通過網(wǎng)線與無線路由器相連［7］，傳感器采集的數(shù)據(jù)就可以通過網(wǎng)口發(fā)送至樂聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。硬件結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 單片機(jī)與網(wǎng)絡(luò)模塊硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Hardware structure of single chip computer and network module

(3)路由器:本系統(tǒng)采用多路無線路由器相連，即將總路由器的WAN 口連接貓，這個(gè)無線路由設(shè)定連接撥號(hào)并且充當(dāng)所有連接的網(wǎng)關(guān)。其他所有的子路由通過LAN 口與總路由的LAN 口互聯(lián)。這樣可以將多個(gè)子路由連接到總路由，這些子路由的網(wǎng)關(guān)IP 要與總路由的網(wǎng)關(guān)IP 不一致?？偮酚傻木W(wǎng)關(guān)IP 為192.168.1.1，子路由可以依次設(shè)置為192.168.1.2 等。同時(shí)總路由設(shè)定IP 地址DHCP 獲取，子路由禁用DHCP［8］。任何地方無線連接時(shí)統(tǒng)一連接到總路由的網(wǎng)關(guān)，所有子路由全部當(dāng)作局域網(wǎng)交換機(jī)及無線連接接收器使用。路由器結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 路由器結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Hardware structure of router

2.2 樂聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

樂聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)迅速實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的平臺(tái)。不需要繁瑣的編程和開發(fā)就可以把測量設(shè)備或者傳感器連接到樂聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺(tái)上，并在該平臺(tái)上存儲(chǔ)、查詢和分析測量數(shù)據(jù)。該平臺(tái)提供了網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)接功能模塊，可以讓所有測量設(shè)備都具備聯(lián)網(wǎng)功能，集中監(jiān)控和管理設(shè)備。同時(shí)方便用戶在網(wǎng)上或者手機(jī)APP 上查看所有測量設(shè)備的測量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程讀數(shù)。該平臺(tái)還提供數(shù)據(jù)查詢、分析、對比和警告提醒等基本功能，根據(jù)用戶的實(shí)際需求還可以定時(shí)發(fā)送新浪微博或者微信。本系統(tǒng)中直接在計(jì)算機(jī)上登錄樂聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，注冊、添加設(shè)備和傳感器之后就可以在網(wǎng)頁上查看PM2.5 的實(shí)時(shí)監(jiān)測值［9］。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成部分，粉塵顆粒物傳感器數(shù)據(jù)的采集、傳輸、分析和處理等功能都離不開軟件的支持，完善的軟件設(shè)計(jì)可以保證整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)作。

系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)主要采用Arduino 自帶的編程語言。該編程語言的語法與C/C + + 相類似，并且將Arduino 單片機(jī)相關(guān)的一些參數(shù)設(shè)置模塊化，包括EEPROM、Ethernet、步進(jìn)電機(jī)、時(shí)鐘等程序庫，所以并不需要開發(fā)者考慮底層硬件的實(shí)現(xiàn)原理，可以提高程序開發(fā)的效率［10］。PM2.5 實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測端供電后，首先進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)及硬件的初始化，在使用DHCP對Ethernet 的連接配置成功后，使用HTTP 協(xié)議主動(dòng)與樂聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的服務(wù)器建立連接。如果網(wǎng)絡(luò)連接不成功，并且最后一次的連接時(shí)間超過30 ms，那么立即重新與服務(wù)器建立連接。如果網(wǎng)絡(luò)連接成功，GP2Y1010AU0F 粉塵顆粒物傳感器開始采集環(huán)境中的PM2.5 濃度，并通過Ethernet W5100 網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展模塊上的RJ45 接口將數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器。數(shù)據(jù)發(fā)送成功后將繼續(xù)循環(huán)采集、發(fā)送數(shù)據(jù)，如果在數(shù)據(jù)發(fā)送過程中出現(xiàn)故障，可以選擇重啟系統(tǒng)。程序流程圖如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)程序流程圖Fig.6 Flowchart of system program

4 測試結(jié)果分析

粉塵顆粒物傳感器采集的數(shù)據(jù)，在上傳至樂聯(lián)網(wǎng)后會(huì)經(jīng)過分析處理，與時(shí)間、地點(diǎn)等信息打包后在動(dòng)態(tài)曲線上直觀地顯示出來。使用個(gè)人計(jì)算機(jī)登錄樂聯(lián)網(wǎng)或者在微信中關(guān)注樂聯(lián)網(wǎng)，就可以查看實(shí)時(shí)的PM2.5變化曲線，如圖7 所示。

圖7 測試結(jié)果Fig.7 Test results

本次測試只截取了2014 年6 月22 日11:30 ～21:00 青山區(qū)的PM2.5 歷史值，采集的單位時(shí)間間隔15 min。將測試結(jié)果與環(huán)境監(jiān)測總站更新的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)兩者顯示的PM2.5 的變化趨勢一致。相同時(shí)間對應(yīng)的測量值非常近似，達(dá)到了預(yù)期的效果，能夠合理地體現(xiàn)一天中測量的PM2.5 的變化情況。用戶可以根據(jù)需要，查看自己所在地的PM2.5 濃度，合理地安排自己的出行。

5 結(jié)束語

經(jīng)過實(shí)際的運(yùn)行，本系統(tǒng)可以全天候地采集監(jiān)測終端所在地的PM2.5 濃度數(shù)據(jù)，并通過傳感器網(wǎng)絡(luò)和多路路由器互聯(lián)技術(shù)發(fā)送至樂聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，為環(huán)境中PM2.5 的監(jiān)測提供了一種低成本、穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性好、網(wǎng)絡(luò)拓展性強(qiáng)的解決方案，具有良好的實(shí)用價(jià)值。隨著物聯(lián)網(wǎng)的逐漸普及、智能家居等新技術(shù)的興起，本系統(tǒng)的應(yīng)用范圍也會(huì)更加廣泛。

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