基于MIE理論的室內(nèi)便攜式顆粒物檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

趙小強(qiáng)　彭紅梅　張朋波

摘 要： 針對(duì)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)備難以安裝維護(hù)、響應(yīng)速度慢的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種基于光散射理論的室內(nèi)便攜式顆粒物檢測(cè)儀。首先分析推導(dǎo)光散射法檢測(cè)顆粒物濃度的原理，并設(shè)計(jì)藍(lán)牙傳輸模塊的硬件電路，然后通過(guò)指令將藍(lán)牙傳輸模塊端口和手機(jī)終端進(jìn)行配對(duì)，最后在手機(jī)終端對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)解析及顯示。結(jié)果表明，該檢測(cè)儀的測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)格拉布斯準(zhǔn)則處理后，與DUSTTARK Ⅱ8530（TSI）測(cè)試儀器的數(shù)據(jù)相比誤差不大于6%，且無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)布線、智能便攜，易連接組網(wǎng)通信，適用于室內(nèi)顆粒物監(jiān)測(cè)等方面應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 光散射理論； 藍(lán)牙傳輸； Android開(kāi)發(fā)； 顆粒物檢測(cè)儀； 格拉布斯準(zhǔn)則

中圖分類號(hào)： TN98?34； TP216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）24?0120?04

Design of indoor portable particulate matter detector based on MIE theory

ZHAO Xiaoqiang， PENG Hongmei， ZHANG Pengbo

（School of Communication and Information Engineering， Xian University of Posts and Telecommunications， Xian 710061， China）

Abstract： Since it is difficult for the traditional monitoring equipment to install and maintain， and its response speed is slow， an indoor portable particulate matter detector based on light scattering theory was designed. The principle of using the light scattering method to detect the particulate matter concentration is deduced. The hardware circuit of the Bluetooth transmission module was designed. The port of the Bluetooth transmission module is matched with mobile phone terminal by means of the instructions， and then the received data is analyzed and displayed in real time in the mobile phone terminal. The data measured by the detector is processed by Grubbs criterion， and its error is less than 6% in comparison with the data measured by DUSTTARK II 8530 （TSI）. The detector dispenses with the on?site wiring， is intelligent and portable， easy to connect to the networking communication， and suitable for the indoor particulate matter monitoring and other applications.

Keywords： light scattering theory； Bluetooth transmission； Android development； particulate matter detector； Grubbs criterion

隨著越來(lái)越多的建材家電進(jìn)駐室內(nèi)，使得室內(nèi)的空氣顆粒物污染源復(fù)雜多樣。若顆粒物粒徑小于2.5 μm就可以穿過(guò)人體的肺部和氣管進(jìn)入血管，隨著血液流到全身各處，直接危害人體健康，所以常規(guī)的實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測(cè)手段已經(jīng)滿足不了具有不可預(yù)測(cè)性的突發(fā)事件[1?2]。準(zhǔn)確測(cè)定室內(nèi)顆粒物的設(shè)備昂貴，如青島溯源TY?13型室內(nèi)二段可吸入顆粒物采樣器約10 000元，且測(cè)定時(shí)間較長(zhǎng)，需要專業(yè)人員進(jìn)行連續(xù)測(cè)定。傳統(tǒng)上采用分析化學(xué)方法和光譜分析等方法對(duì)顆粒物進(jìn)行監(jiān)測(cè)。分析化學(xué)的方法一般需要在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)采集樣氣，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行化學(xué)分析得到結(jié)果，而光譜分析需要專門(mén)的光譜儀，設(shè)備昂貴、操作復(fù)雜、不便攜帶，而且采樣分析速度慢，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的空氣品質(zhì)測(cè)量。目前國(guó)內(nèi)對(duì)顆粒物濃度的監(jiān)測(cè)方法有許多種，光散射測(cè)量方法以檢測(cè)速度快、測(cè)量范圍大、自動(dòng)化程度高、不受溫度壓力變化影響，可在線監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)倍受歡迎[3?4]。隨著傳感器制造技術(shù)的發(fā)展，便攜式監(jiān)測(cè)儀體積越來(lái)越小、精度越來(lái)越高，且能及時(shí)得到現(xiàn)場(chǎng)的第一手?jǐn)?shù)據(jù)，方便人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境狀況的了解，并做出相應(yīng)措施，其應(yīng)用越來(lái)越受到社會(huì)各界重視[5?6]。

1 傳感器及檢測(cè)原理

傳感器由激光器、光散射測(cè)量腔體和傳感器處理電路三部分組成，采用激光散射原理：當(dāng)激光照射在空中的懸浮顆粒物上時(shí)會(huì)產(chǎn)生光散射現(xiàn)象，此時(shí)的散射光強(qiáng)度隨顆粒物的濃度變化而變化。如果在某個(gè)特定角度收集這些散射光，當(dāng)散射光通過(guò)凸透鏡到達(dá)光電傳感器時(shí)，傳感器處理電路把接收到的光強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由此可得到散射光強(qiáng)隨時(shí)間變化的曲線。

本次研制的顆粒物檢測(cè)儀采用PMSXOXX系列傳感器，粒徑分辨率最小可達(dá)0.3 μm，能同時(shí)監(jiān)測(cè)3種不同粒徑閾值微小顆粒物的濃度，如PM1.0，PM2.5，PM10。該監(jiān)測(cè)儀通過(guò)計(jì)算粒子數(shù)目來(lái)測(cè)量顆粒物的濃度，其原理模型是來(lái)源于麥克斯韋方程組的嚴(yán)格數(shù)學(xué)解。其理論推導(dǎo)如下：當(dāng)光強(qiáng)為I0的自然光線入射到各向同性的微粒時(shí)，距離散射體R處的P點(diǎn)的散射光強(qiáng)為：

[Isca=λ2I08π2r2S1θ2sin2h+S2θ2cos2h]

式中：λ為光波波長(zhǎng)；θ為散射角；h為偏振光的偏振角；振幅函數(shù)S1（θ）和S2（θ）分別為：

[S1θ=n=1∞2n+1nn+1anπn+bnfn]

[S2θ=n=1∞2n+1nn+1anfn+bnπn]

式中：an和bn是與貝塞爾函數(shù)和漢克爾函數(shù)有關(guān)的函數(shù)；πn和fn是連帶勒讓德函數(shù)的函數(shù)，僅與散射角θ有關(guān)。振幅函數(shù)S1（θ）和S2（θ）是MIE散射光強(qiáng)的關(guān)鍵，an和bn是計(jì)算的難點(diǎn)，求和是一個(gè)無(wú)窮的過(guò)程，理論上無(wú)法計(jì)算。由于an和bn的表達(dá)式滿足一些遞推關(guān)系，若計(jì)算之前給定[n]的大小，則通過(guò)計(jì)算機(jī)編程可以方便地求出an和bn，自然可以求出距離散射體R處的P點(diǎn)的散射光強(qiáng)Isca。散射光強(qiáng)經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化成PWM波形，其對(duì)應(yīng)的脈寬長(zhǎng)度就是對(duì)應(yīng)微小顆粒物的濃度。

2 總體設(shè)計(jì)

便攜式顆粒物檢測(cè)儀主要由兩部分組成：硬件部分和軟件部分。硬件部分由攀藤G1型PM傳感器和自行設(shè)計(jì)的藍(lán)牙3.0模塊組成；軟件部分采用Android編寫(xiě)的上位機(jī)軟件，通過(guò)解析藍(lán)牙傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值顯示和曲線繪制。如圖1所示。

3 藍(lán)牙模塊設(shè)計(jì)

3.1 硬件電路設(shè)計(jì)

藍(lán)牙技術(shù)是通過(guò)支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或者點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的模式，以無(wú)線方式將室內(nèi)的各種數(shù)據(jù)和語(yǔ)音設(shè)備互連成一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)，并在這些連接設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)快捷而方便的通信[7?8]。藍(lán)牙模塊硬件電路的設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 藍(lán)牙模塊硬件電路

3.2 藍(lán)牙設(shè)備的設(shè)置及連接

藍(lán)牙串口通信模塊具有命令響應(yīng)和自動(dòng)連接兩種工作模式。當(dāng)模塊處于命令響應(yīng)工作模式時(shí)，用戶可向模塊發(fā)送各種AT指令將波特率設(shè)置為38 400 b/s，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無(wú)校驗(yàn)位和流控制位。令BS_KEY=1，進(jìn)入AT指令配置狀態(tài)，通電后，藍(lán)牙模塊進(jìn)入AT指令響應(yīng)狀態(tài)。通過(guò)串口工具發(fā)送字符：

“AT+NAME=陳＼r＼n”表示設(shè)置模塊設(shè)備名稱為：“陳”；

“AT+LINK= A086，C6， 24800D ＼r＼n”表示查詢藍(lán)牙設(shè)備“A0：86：C6：24：80：0D”是否在配對(duì)列表中，響應(yīng)“OK”（成功）表示藍(lán)牙串口配對(duì)連接成功，此時(shí)BS_LED=1。

“AT+ROLE=1＼r＼n”表示藍(lán)牙模塊主動(dòng)發(fā)起連接，若返回“OK”，則表明藍(lán)牙設(shè)備間的透明數(shù)據(jù)傳輸通道已建立。

用單片機(jī)最小系統(tǒng)供電，連接藍(lán)牙模塊（ATK?HC05）和手機(jī)（GT?S7898），等手機(jī)搜索到藍(lán)牙設(shè)備地址（A0：86：C6：24：80：0D）后，點(diǎn)擊該設(shè)備完成配對(duì)，進(jìn)入空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)界面，這樣藍(lán)牙模塊便可以向手機(jī)端發(fā)數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖3所示。

3.3 藍(lán)牙解析協(xié)議

協(xié)議是指通信雙方為完成服務(wù)而必須遵循的規(guī)則或約定，絕大多數(shù)的藍(lán)牙設(shè)備都需要協(xié)議。根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需要，將手機(jī)與藍(lán)牙的通信協(xié)議如表1所示。

表1中濃度單位為μg/m3；測(cè)量空氣體積0.1 L；DataN_H代表數(shù)據(jù)N的高8位；DataN_L代表數(shù)據(jù)N的低8位；Data_H表示幀長(zhǎng)度高8位；Data_L表示幀長(zhǎng)度低8位；DataL_H表示數(shù)據(jù)和校驗(yàn)高8位；DataL_L表示數(shù)據(jù)和校驗(yàn)低8位。針對(duì)以上協(xié)議，Android程序通過(guò)調(diào)用相應(yīng)的接口數(shù)據(jù)，解析協(xié)議數(shù)據(jù)，將檢測(cè)結(jié)果以數(shù)值和曲線的方式顯示在手機(jī)界面上，如圖4所示。

4 數(shù)據(jù)測(cè)試及分析

通過(guò)設(shè)計(jì)藍(lán)牙傳輸模塊硬件電路和配置AT指令，實(shí)現(xiàn)傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的透明傳輸，利用米氏理論算法，得出單位體積內(nèi)顆粒物的數(shù)量。最后在Android手機(jī)端開(kāi)發(fā)了便攜式顆粒物檢測(cè)儀上位機(jī)軟件，通過(guò)解析藍(lán)牙傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值顯示和曲線繪制，對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示與超標(biāo)警告[8]。

為了保證測(cè)量精度，每隔1 h測(cè)量1次顆粒物濃度，連續(xù)測(cè)量24次，采用“多次測(cè)量求其平均值”方式輸出當(dāng)天的顆粒物濃度的平均值，共持續(xù)30天，12月份顆粒物濃度如表2所示。

由于每天的24個(gè)采樣數(shù)據(jù)可能存在較大誤差，因此不能僅對(duì)這24個(gè)值取平均，應(yīng)采用格拉布斯準(zhǔn)則[9]對(duì)這24個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選。圖5是以12月8日10點(diǎn)—16點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)為例說(shuō)明篩選過(guò)程。

按照上述過(guò)程將12月份檢測(cè)儀每天監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)繪制，以TSI為標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)不同顆粒物濃度下的G1監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和相對(duì)誤差曲線[9]，結(jié)果如圖6所示。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，檢測(cè)儀測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，在12月的30天當(dāng)中，該檢測(cè)儀與TSI檢測(cè)儀測(cè)量數(shù)據(jù)比較，相對(duì)誤差不大于6%，能很好地滿足對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的需求。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文主要從室內(nèi)便攜式環(huán)境檢測(cè)設(shè)備開(kāi)發(fā)的角度，結(jié)合光散射測(cè)顆粒物濃度的方法、Android開(kāi)發(fā)技術(shù)以及藍(lán)牙通信技術(shù)，完成了一個(gè)高精度低成本的便攜式室內(nèi)顆粒物檢測(cè)儀設(shè)計(jì)，不僅實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)的短距離通信，同時(shí)可在手機(jī)終端APP上實(shí)時(shí)查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。在完成硬件和軟件的設(shè)計(jì)的同時(shí)將檢測(cè)儀與TSI測(cè)試儀器進(jìn)行了比對(duì)測(cè)試，經(jīng)格拉布斯準(zhǔn)則處理后相對(duì)誤差不超過(guò)6%。

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