基于無線通信的家用PM2.5檢測(cè)器

梁　艷，吉庭松，孫亞奇，鮑真?zhèn)?，李松良，闞加榮

(鹽城工學(xué)院 電氣工程學(xué)院，江蘇 鹽城　224051)

基于無線通信的家用PM2.5檢測(cè)器

梁艷，吉庭松，孫亞奇，鮑真?zhèn)?，李松良，闞加榮

(鹽城工學(xué)院 電氣工程學(xué)院，江蘇 鹽城224051)

針對(duì)目前PM2.5檢測(cè)器檢測(cè)過于復(fù)雜、成本高、精度難以保證的缺點(diǎn)，提出一種基于無線通信模塊的戶用PM2.5檢測(cè)器。該檢測(cè)器由室內(nèi)機(jī)與室外機(jī)2部分構(gòu)成，通過RF1100SE模塊實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外的通信。室內(nèi)機(jī)與室外機(jī)均采用成本極低的STC單片機(jī)作為主控芯片，工作時(shí)室外機(jī)通過光敏粉塵傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)戶外PM2.5的檢測(cè)，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)由無線模塊發(fā)送到室內(nèi)的接收模塊，經(jīng)單片機(jī)處理后由LED液晶顯示屏顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和24小時(shí)的數(shù)據(jù)變化曲線，保證人們?cè)谑覂?nèi)能夠準(zhǔn)確獲知室外的PM2.5數(shù)值，從而為人們對(duì)戶外空氣質(zhì)量作短時(shí)預(yù)測(cè)，進(jìn)而為指導(dǎo)人們的出行提供了方便。

PM2.5檢測(cè)器；無線通信；室內(nèi)機(jī)；室外機(jī)

PM2.5又稱細(xì)顆粒物，是指環(huán)境空氣中空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于2.5μm的顆粒物。它能較長(zhǎng)時(shí)間懸浮于空氣中，其在空氣中含量(濃度)越高，說明空氣污染越嚴(yán)重，對(duì)人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量的影響也就越大，因?yàn)橹睆叫∮诘扔?.5μm的顆粒物可直接進(jìn)入人的肺部，對(duì)人體生理機(jī)能造成永久傷害。2012年聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署公布的《全球環(huán)境展望5：我們未來想要的環(huán)境》[1]指出，每年有近200萬(wàn)的過早死亡病例與顆粒物污染有關(guān)。因此，PM2.5粉塵顆粒的即時(shí)檢測(cè)和趨勢(shì)預(yù)測(cè)，是有效防治PM2.5污染的前提和重要保障。

目前，PM2.5檢測(cè)方法基本可以分為3種[2]：重量法、β射線吸收法和微量振蕩天平法。其中重量法要求人工操作，自動(dòng)化程度低、不能得到空氣質(zhì)量的實(shí)時(shí)情況；β射線吸收法相對(duì)成本較高；而微量振蕩天平法不能分離直徑超過2.5μm的顆粒物，造成檢測(cè)精度降低。

家用PM2.5檢測(cè)器要求成本低，檢測(cè)精度相對(duì)較高，可以簡(jiǎn)單方便的使用[3]，而以上方法都不適用于家用PM2.5檢測(cè)器的要求，因此尋找適合于家庭使用的簡(jiǎn)單、精確的PM2.5檢測(cè)器，用來指導(dǎo)人們的出行，已成為社會(huì)發(fā)展的需要。

經(jīng)過大量研究，本文提出一種基于無線通信的家用PM2.5檢測(cè)器。該檢測(cè)器分為室內(nèi)機(jī)與室外機(jī)2部分，采用RF1100SE[4]無線通信模塊作為室內(nèi)機(jī)與室外機(jī)的通信載體。室內(nèi)機(jī)與室外機(jī)均采用成本極低的STC單片機(jī)[5]作為主控芯片，室外機(jī)采用夏普公司生產(chǎn)的專門檢測(cè)直徑小于2.5μm煙塵的傳感器GP2Y1010AU0F進(jìn)行PM2.5的檢測(cè)[6]。PM2.5經(jīng)檢測(cè)并經(jīng)單片機(jī)處理后由LED液晶顯示屏顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和24h的數(shù)據(jù)變化曲線，為人們出行采取相關(guān)防霧霾措施提供了方便。

1　PM2.5檢測(cè)器整體方案

基于無線通信模塊的家用PM2.5檢測(cè)器元件間信號(hào)傳遞如圖1所示，室內(nèi)機(jī)與室外機(jī)使用的各種器件型號(hào)見表1。該檢測(cè)器工作原理如下：

圖1為檢測(cè)器室外機(jī)與室內(nèi)機(jī)元件之間的信號(hào)傳遞示意圖。室外機(jī)每隔固定時(shí)間啟動(dòng)PM2.5檢測(cè)模塊1次，檢測(cè)模塊輸出與空氣質(zhì)量對(duì)應(yīng)的模擬型號(hào)，室外機(jī)中的單片機(jī)將該模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)與無線通信模塊1進(jìn)行SPI通信，無線通信模塊1將接收到的信號(hào)進(jìn)行射頻信號(hào)發(fā)送；室內(nèi)機(jī)中，無線通信模塊2射頻接收芯片接收來自室外機(jī)的射頻信號(hào)，經(jīng)SPI通信由單片機(jī)2接收。與單片機(jī)2相關(guān)的外設(shè)有：液晶屏(顯示PM2.5檢測(cè)的數(shù)據(jù)，包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與24h數(shù)據(jù)變化曲線)、時(shí)鐘模塊(保證顯示精確的時(shí)間)、E2PROM(斷電后儲(chǔ)存重要數(shù)據(jù))、按鍵(用來切換液晶顯示器界面和進(jìn)行時(shí)鐘顯示設(shè)置)。

圖1　檢測(cè)器室外機(jī)與室內(nèi)機(jī)元件信號(hào)傳遞示意圖Fig.1　Sketch for information transmission of indoor part and outdoor part

表1　檢測(cè)器所用器件型號(hào)

2　粉塵光敏傳感器工作原理

檢測(cè)器采用SHARP公司生產(chǎn)的GP2Y1010AU0F型傳感器，該傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。GP2Y1010AU0F傳感器一共有6個(gè)端子，第1、2端子為光敏二極管電路的電源端與地電位端；第6、4端子為信號(hào)輸出電路的電源端與地電位端；第3端子為光敏二極管工作控制端。當(dāng)?shù)?端子為高電平時(shí)，光敏二極管不工作；當(dāng)?shù)?端子為低電平時(shí)，光敏二極管開始工作，檢測(cè)通氣孔中的微塵，信號(hào)電路接收來自微塵的反射光線信號(hào)，經(jīng)放大電路放大，由第5端子輸出與微塵濃度相當(dāng)?shù)哪M信號(hào)。

圖2　粉塵光敏傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2　The structure sketch of the dust light- sensor

傳感器的第3端信號(hào)即光敏二極管工作控制信號(hào)ULED與第5端傳感器輸出信號(hào)UO之間的相位關(guān)系如圖3所示。GP2Y1010AU0F傳感器的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)都為脈沖信號(hào)，典型的脈沖周期為10ms。根據(jù)光敏粉塵傳感器的要求，光敏二極管信號(hào)放大電路必須在0.28ms后輸出信號(hào)才進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，因此信號(hào)ULED低電平的時(shí)間必須大于0.28ms，本系統(tǒng)選取0.32ms，即在ULED信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖?.28ms后，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，得到的數(shù)據(jù)量與微塵濃度相當(dāng)。

圖3　粉塵光敏傳感器輸入、輸出信號(hào)關(guān)系圖Fig.3　The input and output signal waveforms of the sensor

3　無線通信模塊工作原理

無線通信模塊RF1100SE使用TI-Chipcon公司的CC1101芯片開發(fā)而成。RF1100SE單片無線收發(fā)器工作在433/868/915MHz的ISM(IndustrialScientificMedical)頻段，由1個(gè)完全集成的頻率調(diào)制器、1個(gè)帶解調(diào)器的接收器、1個(gè)功率放大器、1個(gè)晶體振蕩器和1個(gè)調(diào)節(jié)器組成。其工作特點(diǎn)是自動(dòng)產(chǎn)生前導(dǎo)碼 和CRC(CyclicalRedundancyCheck)，可以很容易通過SPI(SerialPeripheralInterface)接口進(jìn)行編程配置，電流消耗低。

RF1100SE模塊共有10個(gè)引腳，其引腳的功能說明如表2所示。

表2　RF1100SE引腳說明

4　軟件設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

檢測(cè)器室外機(jī)與室內(nèi)機(jī)的程序流程如圖4所示。室外機(jī)的主要任務(wù)是單片機(jī)A/D端口將來自檢測(cè)傳感器的模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后經(jīng)SPI通信傳遞至無線模塊1中的數(shù)字芯片，經(jīng)射頻芯片進(jìn)行無線傳送(根據(jù)PM2.5檢測(cè)傳感器的特性，單片機(jī)的普通I/O接口每隔2s啟動(dòng)1次檢測(cè))。室內(nèi)機(jī)的主要功能包括由無線通信模塊2接收無線通信模塊1每隔2s發(fā)送1次的數(shù)據(jù)，經(jīng)SPI通信傳送給單片機(jī)，單片機(jī)將數(shù)據(jù)解碼后通過LED液晶屏顯示該數(shù)據(jù)，即實(shí)時(shí)的PM2.5值。為了顯示過去24hPM2.5的變化曲線，在單片機(jī)上設(shè)一個(gè)24個(gè)數(shù)據(jù)的數(shù)組，依次存儲(chǔ)過去

a　室外機(jī)

b　室內(nèi)機(jī)圖4　室內(nèi)機(jī)與室外機(jī)程序流程圖Fig.4　Program flow chart for indoor part and outdoor part

24h整點(diǎn)時(shí)刻的PM2.5數(shù)值。在時(shí)鐘整點(diǎn)時(shí)刻，將數(shù)組中24h前的數(shù)據(jù)舍棄，后面23個(gè)數(shù)據(jù)依次后移一位，即23h前的數(shù)據(jù)放置到數(shù)組的第24個(gè)儲(chǔ)存空間，1h前的數(shù)據(jù)放置到數(shù)組的第2個(gè)儲(chǔ)存空間，并將最新數(shù)據(jù)加入該數(shù)組的第1個(gè)儲(chǔ)存空間，這24個(gè)數(shù)據(jù)在液晶屏上形成了過去24h的PM2.5變化曲線，為人們對(duì)短時(shí)間內(nèi)空氣質(zhì)量的預(yù)測(cè)提供了方便。

表3所示為液晶屏顯示2015年6月1 日鹽城工學(xué)院新校區(qū)8點(diǎn)至16點(diǎn)共計(jì)8小時(shí)的PM2.5數(shù)據(jù)，根據(jù)氣象臺(tái)的當(dāng)日數(shù)據(jù)，可以看出本文設(shè)計(jì)的PM2.5檢測(cè)器數(shù)據(jù)基本符合網(wǎng)報(bào)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)，其精度也較高。

圖5給出了PM2.5檢測(cè)器的樣機(jī)照片。從圖5和表3可以看出，PM2.5的檢測(cè)數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確，采用較低的成本實(shí)現(xiàn)較高的檢測(cè)精度。

表3　PM2.5監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

5　結(jié)論

本文提出了一種基于無線通信的戶用PM2.5檢測(cè)器。檢測(cè)器采用室外機(jī)檢測(cè)、室內(nèi)機(jī)顯示的方案保證了室外PM2.5檢測(cè)的準(zhǔn)確性。PM2.5檢測(cè)傳感器采用粉塵光敏傳感器，極大地降低了傳統(tǒng)檢測(cè)方法的復(fù)雜性與高成本；無線發(fā)送、接收

模塊采用簡(jiǎn)單的SPI通信即可實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)之間的信息互通，控制方案簡(jiǎn)單。樣機(jī)結(jié)果表明，本文所提方案簡(jiǎn)單、可靠，所選元件成本低，精度高，具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

圖5　基于無線通信模塊的PM2.5檢測(cè)器Fig.5　PM 2.5 detector based on wireless communication module

[1] 聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署.全球環(huán)境展望5：我們未來想要的環(huán)境[R].內(nèi)羅畢，2012.

[2] 毛朔南，馬宇明，蔡冶強(qiáng)，等.PM2.5檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及量值溯源方法現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].江蘇現(xiàn)代計(jì)量，2013，11(5)：32-35.

[3] 朱祝何.家用PM2.5檢測(cè)儀“僅供參考”[J].質(zhì)量探索，2014(6)：35-36.

[4] 張霄，宋文妙.一種配電變壓器及配電箱無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)通信，2011，32(11)：41-43.

[5] 張坤，周鳳星，柯曉娟.基于STC單片機(jī)的半導(dǎo)體材料特性測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2014，14(6)：31-35.

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(責(zé)任編輯：李華云)

PM2.5HouseholdDetectorBasedonWirelessCommunicationModule

LIANGYan,JITingsong,SUNYaqi,BAOZhenwei,LISongliang,KANJiarong

(SchoolofElectricalEngineering,YanchengInstituteofTechnology,YanchengJiangsu224051,China)

ThispaperpresentsaPM2.5detectorbasedonwirelesscommunicationtoovercometheshortcomingsintheconventionalPM2.5detector,suchascomplicatedcontrolprocess,highcostandlowdetectionprecision.Theproposeddetectorincludestheindoorpartandtheoutdoorpart,andthecommunicationisrealizedbytheRF1100SEmodule.ThelowcostSTCsinglechipisusedinbothindoorandoutdoorpartsascorechip.ThedetectionofoutdoorPM2.5isrealizedbythephotosensitivedustsensorinwork.Andthedetectiondataistransmittedfromthewirelessmoduletothereceivingmoduleinthelaboratory.TheLEDLCDcanrealizereal-timedatadisplayanddatachangescurveinthepast24hoursafterthesinglechipmicrocomputerisprocessed,toensurethatpeopleintheinteriorcanaccuratelyknowtheoutdoorPM2.5value,soastomakeshort-termforecastfortheoutdoorairquality.Itisconvenientforpeople'soutdooractivities.

PM2.5detector;wirelesscommunication;indoorpart;outdoorpart

10.16018/j.cnki.cn32-1650/n.201503007

2015-04-06

江蘇省大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練重點(diǎn)項(xiàng)目

梁艷(1974-)，女，江蘇鹽城人，講師，碩士，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)。

TP273.5

A

1671-5322(2015)03-0029-04