基于WiFi的空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)

張燕

摘 要：當(dāng)前的環(huán)境質(zhì)量越來(lái)越差，空氣質(zhì)量已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，而官網(wǎng)提供的是大范圍區(qū)域型數(shù)據(jù)，針對(duì)現(xiàn)有的空氣質(zhì)量檢測(cè)儀無(wú)法滿足對(duì)空氣質(zhì)量多點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的缺陷，為此，文中設(shè)計(jì)了一種通過WiFi無(wú)線傳輸?shù)目諝赓|(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前PM2.5、溫度、濕度的檢測(cè)，并通過WiFi實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，提供物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)服務(wù)，非常適合家居、商場(chǎng)、酒店等場(chǎng)所進(jìn)行空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：PM2.5；溫度；濕度；數(shù)據(jù)傳輸；物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）06-00-02

0 引 言

近年來(lái)，我國(guó)大多數(shù)城市出現(xiàn)了嚴(yán)重的霧霾天氣，環(huán)境的空氣質(zhì)量問題越來(lái)越成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。導(dǎo)致霧霾天氣的罪魁禍?zhǔn)拙褪荘M2.5。PM2.5即細(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2.5 μm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，就代表空氣污染越嚴(yán)重。雖然PM2.5只是地球大氣成分中含量很少的組分，但它對(duì)空氣質(zhì)量和能見度等有重要的影響。由于PM2.5能通過肺泡直接進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)，其可影響人的心血管、呼吸、神經(jīng)系統(tǒng)等，導(dǎo)致血壓升高，動(dòng)脈硬化，心律不齊等癥狀，所以對(duì)所處環(huán)境的PM2.5進(jìn)行檢測(cè)是非常有必要的。

當(dāng)前的空氣質(zhì)量檢測(cè)儀主要是對(duì)環(huán)境的PM2.5、溫度、濕度進(jìn)行單點(diǎn)檢測(cè)，且官網(wǎng)數(shù)據(jù)也是大范圍的區(qū)域性數(shù)據(jù)，無(wú)法滿足對(duì)空氣質(zhì)量進(jìn)行多點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及歷史數(shù)據(jù)分析的要求。并且傳統(tǒng)的有線傳輸布線復(fù)雜，受環(huán)境限制大，成本高，針對(duì)這些問題，本文提出了一種基于WiFi傳輸?shù)臄?shù)據(jù)服務(wù)型空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境PM2.5、溫度、濕度的檢測(cè)，并可以上傳數(shù)據(jù)到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析與歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能，具有很大的市場(chǎng)潛力。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由空氣質(zhì)量檢測(cè)儀和物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)組成，以STM8S105K4單片機(jī)作為信號(hào)采集和數(shù)據(jù)處理的控制中心，并通過高精度的激光PM2.5傳感器采集空氣PM2.5含量，DHT11采集環(huán)境溫濕度信息，經(jīng)過單片機(jī)處理后在1602液晶上顯示當(dāng)前環(huán)境的PM2.5含量以及溫濕度信息，并通過WiFi模塊連接路由器后將數(shù)據(jù)上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄，系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境PM2.5濃度和溫濕度的檢測(cè)和顯示，系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)控制模塊，溫濕度采集模塊，PM2.5采集模塊，液晶顯示模塊，WiFi數(shù)據(jù)傳輸模塊。

2.1 單片機(jī)控制核心

為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，盡可能的減少硬件成本，本系統(tǒng)選用STM8S105K4單片機(jī)作為控制核心，該系列芯片具有16 K字節(jié)的Flash程序存儲(chǔ)器，并且有7個(gè)A/D轉(zhuǎn)換通道，12個(gè)I/O口，工作電壓為5 V，擁有廣泛的適應(yīng)性。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要用到了單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換，中斷I/O口，通信接口和SWIM接口對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行在線編程調(diào)試。

2.2 空氣質(zhì)量檢測(cè)模塊

在本系統(tǒng)中，空氣質(zhì)量的精確采集判斷非常重要，采用高精度激光PM2.5檢測(cè)傳感器，該傳感器一致性好，精度高，且有一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)，傳感器輸出的數(shù)據(jù)是和官方單位一致的μg/m?濃度。該傳感器采用激光檢測(cè)原理，由專用的激光模塊產(chǎn)生一束特定的激光，當(dāng)顆粒物經(jīng)過時(shí)，其信號(hào)會(huì)被超高靈敏的數(shù)字電路模塊檢測(cè)到，通過對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能識(shí)別分析得到顆粒計(jì)數(shù)和顆粒大小，并根據(jù)專業(yè)的標(biāo)定計(jì)數(shù)得到粒徑分布與質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)換公式，最終得到跟官方單位同樣的質(zhì)量濃度。該傳感器可以分辨最小直徑達(dá)0.3 μm的顆粒，量程為0～999.9 μg/m?，工作電壓為5 V，工作電流為100 mA，且如果環(huán)境改變，響應(yīng)時(shí)間小于10 s。由于可以直接得到顆粒的濃度，因此大大簡(jiǎn)化了硬件電路的設(shè)計(jì)，并且精度高、工作穩(wěn)定、一致性好，性能非常優(yōu)異。

PM2.5計(jì)算公式為：

PM2.5（μg/m?）= （（PM2.5 高字節(jié)×256） + PM2.5 低字節(jié)）/10

2.3 溫濕度檢測(cè)模塊

為了保證檢測(cè)儀工作的可靠性和穩(wěn)定性，在系統(tǒng)中選用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器來(lái)檢測(cè)環(huán)境的溫度和濕度，DHT11是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，其濕度精度為±5%RH，溫度±2℃，量程濕度20～90%RH，溫度0～50℃。其體積小、功耗低、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)，可以應(yīng)用到苛刻的環(huán)境中。

2.4 WiFi數(shù)據(jù)傳輸模塊

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的多點(diǎn)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析查詢，在系統(tǒng)中通過WiFi無(wú)線傳輸來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。在本設(shè)計(jì)中，WiFi模塊采用的是以ESP8266為核心的一款超低功耗的UART-WiFi透?jìng)髂K，該模塊硬件接口豐富，可以實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)控，串口透?jìng)骱虶PIO控制功能，且支持STA、AP、STA+AP三種工作模式，可以實(shí)現(xiàn)串口CH340轉(zhuǎn)WiFi，工業(yè)透?jìng)鱀TU，WiFi遠(yuǎn)程監(jiān)控/控制，消防、安防智能一體化管理等，被廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)合。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要實(shí)現(xiàn)的功能是將采集到的溫濕度信息和空氣指數(shù)信息進(jìn)行分析，通過液晶顯示當(dāng)前的環(huán)境信息，并將環(huán)境信息上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

系統(tǒng)初始化后，單片機(jī)將采集到的PM2.5濃度信息和溫濕度信息發(fā)送到單片機(jī)進(jìn)行分析處理， 如果環(huán)境沒有改變則直接控制液晶顯示當(dāng)前的環(huán)境信息，如果環(huán)境改變了則重新進(jìn)行采集處理，最后將環(huán)境信息上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，程序流程圖如圖2所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以空氣質(zhì)量的多點(diǎn)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析為研究對(duì)象，從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩方面詳細(xì)的分析了一種基于WiFi無(wú)線傳輸?shù)亩帱c(diǎn)式空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)中，為了保證對(duì)空氣質(zhì)量的高精度檢測(cè)和智能化實(shí)現(xiàn)，采用激光空氣質(zhì)量檢測(cè)傳感器并結(jié)合DHT11數(shù)字式溫濕度傳感器，不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量和溫濕度信息的采集和顯示，還通過無(wú)線傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)的保存分析。通過檢測(cè)儀的大面積覆蓋，可以實(shí)現(xiàn)由點(diǎn)到面的覆蓋，除了官網(wǎng)的區(qū)域性數(shù)據(jù)外，還給大眾提供了多樣化的環(huán)境監(jiān)測(cè)樣本，促進(jìn)了環(huán)境數(shù)據(jù)的透明化，讓大眾更好地知悉環(huán)境，健康生活。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐蘭，髙庚申，安裕敏.空氣細(xì)顆粒物PM2.5的來(lái)源及研究狀況[J].環(huán)保科技，2013，19（3）：5-10.

[2] 徐霄梟，倪春泉，鹿晶.基于層次分析法的PM2.5監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置探究[J].科教文匯，2013 （4） ：99-101.

[3] 陶巍巍，許曉楠，華海寧.監(jiān)測(cè)技術(shù)及防控措施研究[J].山東交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，21（2）：80-83.

[4] 李玲，李鵬.基于無(wú)線傳輸?shù)沫h(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].通信技術(shù)，2011，44（6）：95-96.

[5] 曹珍貫.在單片機(jī)中用插值法實(shí)現(xiàn)線性化器[J].工礦自動(dòng)化，2005（3）：44-45.