制備基于Arduino開發(fā)板的PM2.5檢測智能穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)

鄢世陽，崔江龍，劉佳鑫，何達(dá)威，柳麗芬

(大連理工大學(xué)，遼寧 大連 124221)

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制備基于Arduino開發(fā)板的PM2.5檢測智能穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)

鄢世陽，崔江龍，劉佳鑫，何達(dá)威，柳麗芬

(大連理工大學(xué)，遼寧 大連 124221)

指出了隨著空氣質(zhì)量的惡化，霧霾天氣現(xiàn)象出現(xiàn)增多，危害現(xiàn)象加重，有關(guān)霧霾的重大事件層出不窮，因此，對PM2.5的測量顯得越來越重要。設(shè)計(jì)采用Arduino為控制中心，由夏普GP2Y1010AU0F粉塵傳感器測量空氣粉塵濃度，單色液晶顯示屏顯示當(dāng)前空氣粉塵濃度。結(jié)合arduino廉價(jià)、API開放度高的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種可以監(jiān)測PM2.5并能與Android手機(jī)互動的智能可穿戴設(shè)備手表，使用該表用戶可以通過手機(jī)了解時(shí)間與周圍空氣的質(zhì)量，并可以自行設(shè)計(jì)手表的用戶界面。該表還可以通過藍(lán)牙與Android手機(jī)設(shè)備聯(lián)動，通過在手機(jī)App上輸入體重與運(yùn)動種類(如跑步與慢步)，確定是否適宜活動，并在估算出這段時(shí)間內(nèi)的吸入顆粒量。

PM2.5;Arduino;智能手表;物聯(lián)網(wǎng);自動檢測

1　整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1整體架構(gòu)

該設(shè)計(jì)提出的PM2.5監(jiān)測方案整體架構(gòu)由Arduino、藍(lán)牙模塊、粉塵檢測傳感器模塊、顯示屏、電池、手機(jī)端APP等6部分組成，系統(tǒng)功能原理圖如圖1所示。整個(gè)設(shè)計(jì)中的粉塵檢測傳感器模塊主要用于將PM2.5的濃度轉(zhuǎn)換為電信號。主控制器將傳感器輸出的模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并通過特定的計(jì)算公式將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為PM2.5的濃度在顯示屏中進(jìn)行顯示。在整個(gè)檢測過程中，該設(shè)計(jì)通過藍(lán)牙模塊將采集到的PM2.5的濃度發(fā)送到手機(jī)APP端，通過APP端實(shí)現(xiàn)PM2.5報(bào)警、分享、運(yùn)動環(huán)境適宜度分析等功能。此外，電池模塊為設(shè)備提供能源。

圖1　粉塵濃度監(jiān)測系統(tǒng)基本框

1.2硬件設(shè)計(jì)及PM2.5監(jiān)測功能的實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)的硬件在設(shè)計(jì)之初各個(gè)模塊的選擇上主要考慮了以下幾個(gè)方面：低功耗、計(jì)算性能、檢測精度、性價(jià)比。 基于以上幾點(diǎn)的考慮，該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)選用了Arduino UNO R3開發(fā)板、夏普GP2Y1010AU0F粉塵傳感器、HC-05主從機(jī)一體藍(lán)牙模塊、Nokia5110液晶屏等進(jìn)行了開發(fā)測試。

1.2.1微處理器Arduino簡介

Arduino具有14個(gè)數(shù)字I/O口(其中6個(gè)可提供PWM輸出)，6個(gè)模擬I/O口，一個(gè)復(fù)位開關(guān)，一個(gè)ICSP下載口，支持USB接口，可通過USB接口供電，也可以使用單獨(dú)的電源供電。

Arduino的開發(fā)環(huán)境是以AVR-GCC和其他一些開源軟件為基礎(chǔ)，采用JAVA編寫的，軟件無需安裝，下載完成解壓縮后就可以直接打開使用了。當(dāng)把程序上傳到Arduino時(shí)，它會自動把代碼轉(zhuǎn)換成C語言，再傳給AVR-GCC編譯器，然后把代碼最終編譯成微處理器能接收的指令。這些都是Arduino UNO很重要的一部分，因?yàn)樗[藏了復(fù)雜的編譯過程，讓使用者以盡可能簡單的方式去控制微處理器。

1.2.2微處理器Arduino接線操作

屏幕和Arduino nano的I2C口連接時(shí), SDA 線接A4口，SCL線接A5口。Sharp GP2Y1010AU 有6根接線通過購買的DF robot轉(zhuǎn)接器，分出兩根數(shù)據(jù)線，其中模擬輸出線接Arduino A0口，數(shù)字輸入線接D2口。

1.1 材料與試劑 紫椴花，于2018年7月5日09：00—10∶00采自吉林省吉林市左家鎮(zhèn)吉林特產(chǎn)研究所，為紫椴新鮮花朵。將采集到的新鮮紫椴花朵儲存于大口具塞玻璃采樣瓶中，當(dāng)日完成分析測試。

1.2.3粉塵傳感器簡介

該設(shè)計(jì)測量空氣中粉塵濃度采用夏普GP2Y1010AU0F粉塵傳感器，夏普GP2Y1010AU0F粉塵傳感器可以感知煙草產(chǎn)生的煙氣和花粉,房屋粉塵等,是根據(jù)顆粒擋住紅外光對pwm波形的影響來測量粉塵濃度的，采用與粒子計(jì)算器相同原理為基礎(chǔ),檢測出單位體積粒子的絕對個(gè)數(shù)。

夏普GP2Y1010AU0F粉塵傳感器具有尺寸小、重量輕、易安裝等優(yōu)勢，能夠靈敏檢測直徑0.8 μm以上的粒子，內(nèi)置加熱器可實(shí)現(xiàn)自動吸入空氣的功能，保養(yǎng)簡單，便于長期保持傳感器的特性。廣泛應(yīng)用于空氣清新機(jī)、空氣調(diào)節(jié)器、空氣質(zhì)量監(jiān)測儀等。夏普傳感器內(nèi)部有一個(gè)紅外發(fā)光二極管和一個(gè)光學(xué)傳感器。每次從D口接收信號都會觸發(fā)紅外管發(fā)光，并有光學(xué)傳感器捕獲，其中的空氣如果被灰塵遮擋則會引起PWM波形的高低變化，經(jīng)過外部220μf電容平滑方波，形成可被測量模擬波形。

2　手機(jī)端APP設(shè)計(jì)

2.1App設(shè)計(jì)思路

大氣顆粒物作為對人體健康危害巨大的污染物，尤其是細(xì)顆粒物可以對人體心血管和呼吸等多個(gè)系統(tǒng)造成傷害。我國多數(shù)的地區(qū)PM2.5污染比較嚴(yán)重，人體過度暴露在空氣顆粒物中導(dǎo)致的健康問題也比較多。因此，開展污染物暴露評價(jià)，從而確定人體在污染物中的實(shí)際暴露水平有著十分重要的意義。對于污染物來說，其濃度限值只是考慮了環(huán)境中的污染物強(qiáng)度，而人體的呼吸是空氣污染物從外界進(jìn)入人體內(nèi)的主要途徑，所以根據(jù)人體的吸入暴露做出暴露評價(jià)能夠更好地反映空氣污染對身體健康的危害[6]。

筆者介紹了吸入暴露的評價(jià)方法，并以市區(qū)為例，以PM2.5為標(biāo)靶，對各年齡段人員的污染暴露水平進(jìn)行了分析探討。從而以此來設(shè)計(jì)相應(yīng)監(jiān)測計(jì)算以及評估PM2.5的綜合app，來幫助人們管理生活，使生活更健康。

2.2系統(tǒng)方案

系統(tǒng)方案采用Android操作系統(tǒng)，基于Eclipse，以Java語言和HTML語言開發(fā)。

2.3功能與指標(biāo)

依據(jù)個(gè)體的年齡和運(yùn)動狀態(tài)，結(jié)合監(jiān)測手表監(jiān)測到的PM2.5數(shù)值來計(jì)算PM2.5的總吸入量，幫助人們更好地了解自己目前吸入量以及更好的規(guī)劃之后的生活，遠(yuǎn)離PM2.5帶來的危害。在軟件中設(shè)置PM2.5的警告閾值，一旦超過這個(gè)值，軟件將會向用戶之前設(shè)置好的好友發(fā)送短信提醒，幫助好友及時(shí)了解身邊空氣的狀況。將軟件采集到的數(shù)據(jù)上傳到云端，帶來更詳盡的PM2.5數(shù)值，方便其他人了解，同時(shí)也為科學(xué)分析提供數(shù)據(jù)來源。

2.4實(shí)現(xiàn)原理

暴露是指在一定時(shí)間內(nèi)，接觸一定濃度污染物的過程，是評價(jià)空氣污染物遷移、分布對人體影響的重要參數(shù)，也為流行病學(xué)以及健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的研究提供了基礎(chǔ)參數(shù)。對于顆粒物來說，主要通過人體呼吸進(jìn)入到體內(nèi)的。根據(jù)人體暴露采用的吸入暴露概念，可以計(jì)算一定時(shí)間內(nèi)的人體吸收顆粒物的潛在劑量評價(jià)實(shí)際人體的暴露狀況。因此，顆粒物的吸入暴露評價(jià)是采用相對暴露的時(shí)間、濃度和呼吸速率的乘積進(jìn)行積分，即：

(1);

(1)式中，Dpot是顆粒物的吸入暴露量(mg)；、分別為暴露時(shí)間段起始以及最終時(shí)間(h)；c(t)是隨著暴露時(shí)間而變化的顆粒物的質(zhì)量濃度(mg)；I是隨著暴露時(shí)間而變化的人體呼吸速率(h)；t是暴露時(shí)間(h)。進(jìn)行不連續(xù)的暴露時(shí)間段的顆粒物的吸入暴露量計(jì)算：

Dpot=∑ci×IRi×ti

(2)；

(2)式中，ci為顆粒物的質(zhì)量濃度(mg)；I為人體呼吸速率(h)；ti為第i個(gè)的暴露時(shí)間(h)。

2.5軟件流程

用戶先開啟藍(lán)牙，將設(shè)備與手機(jī)配對，然后設(shè)置用戶群體，這樣就完成了基本的設(shè)置。之后設(shè)置提醒的閾值，當(dāng)檢測到PM2.5的數(shù)值超過這個(gè)的時(shí)候，就會發(fā)出自動警告。還可以設(shè)置運(yùn)動種類，點(diǎn)擊開始統(tǒng)計(jì)后，軟件將自動計(jì)算出該段時(shí)間內(nèi)吸入的PM2.5的量。

3　實(shí)物制作

經(jīng)過試驗(yàn)，完成了手表的初步制作。該設(shè)備已可以實(shí)現(xiàn)基本功能。該表成本在80元左右，具有廉價(jià)與便攜的特點(diǎn)，可以在戶外多點(diǎn)測試中具有優(yōu)勢(圖2)。

圖2　PM2.5檢測智能手表的初步制作

4　結(jié)論

該設(shè)計(jì)利用時(shí)下比較流行的開放物聯(lián)網(wǎng)硬件平臺Arduino與安卓操作系統(tǒng)完成了PM2.5檢測方案的制作與測試。經(jīng)測試，該檢測系統(tǒng)工作正常，測試結(jié)果在一定范圍內(nèi)具有很高的參考價(jià)值，為用戶的健康出行提供了保障。總體而言，該檢測方案實(shí)現(xiàn)了以下功能：①能夠準(zhǔn)確檢測空氣中的PM2.5的含量；②根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)果能夠?qū)Ξ?dāng)前空氣質(zhì)量做出準(zhǔn)確評估；③手機(jī)端APP能夠與Smart Block 實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，對PM2.5信息進(jìn)行在線分享；④成本更低，更易于制作，易操作。

與其它同類PM2.5檢測方案相比，設(shè)計(jì)具有以下特色：①手表式外觀設(shè)計(jì)，美觀時(shí)尚，輕便易攜帶；②性價(jià)比較高，適宜普遍推廣；③具有相匹配的APP，更加切合物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢。

該設(shè)計(jì)也存在很多不足之處：設(shè)計(jì)應(yīng)用于單點(diǎn)測量，在范圍估測上有很大的局限性與不準(zhǔn)確性，同時(shí)該

設(shè)計(jì)出于成本考慮采用UNO R3版本，使裝置在體積上變大，改進(jìn)時(shí)可以采用Lilypad使裝置減小體積大小，從而達(dá)到更便攜的效果。

[1]戴海夏. 大氣PM2.5的健康影響[J].國外醫(yī)學(xué)(衛(wèi)生學(xué)分冊), 2001(3).

[2]傅敏寧. PM2.5監(jiān)測及評價(jià)研究進(jìn)展[J].氣象與減災(zāi)研究,2011.

[3]黃金力. 論P(yáng)M2.5監(jiān)測的重要性[J].城市建設(shè)理論研究(電子版),2013.

[4]王磊. PM2.5監(jiān)測技術(shù)要點(diǎn)及意義探討[J].城市建設(shè)理論研究(電子版), 2014.

[5]陳向國, 郝吉明.實(shí)現(xiàn)PM2.5治理目標(biāo)第一階段很關(guān)鍵[J].節(jié)能與環(huán)保, 2012.

[6]季海榮. 人體室內(nèi)外PM2.5吸入暴露研究[J].環(huán)境污染與防治》,2014.

2016-07-19

鄢世陽(1994—)，男，大連理工大學(xué)學(xué)生。

TP311

A

1674-9944(2016)16-0040-03