一種具有云端通信功能的PM 2.5檢測器設(shè)計

吳觀德, 歐陽明廷

（1.惠州市特仕科技有限公司,惠州 510086； 2.電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院，成都 610054）

一種具有云端通信功能的PM 2.5檢測器設(shè)計

吳觀德1, 歐陽明廷2

（1.惠州市特仕科技有限公司,惠州 510086； 2.電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院，成都 610054）

設(shè)計一種能快速檢測空氣中的PM 2.5濃度的檢測器，作為公司PM 2.5大數(shù)據(jù)的智能硬件終端。系統(tǒng)采用MSP430F149作為主控MCU，選用SDS018 PM 2.5傳感器模塊和hc-05藍牙通訊模塊，傳感器模塊和藍牙通信模塊分別與MCU串行口連接并通信。MCU定時采集傳感器模塊數(shù)據(jù)，通過藍牙通信模塊將PM 2.5數(shù)據(jù)發(fā)送至智能終端，通過設(shè)計移動端APP可顯示PM 2.5數(shù)據(jù)，同時APP將系統(tǒng)時間、地理位置發(fā)送至云端服務(wù)器以實現(xiàn)公司對PM 2.5大數(shù)據(jù)的管理和應(yīng)用。

PM 2.5；藍牙；智能硬件

引言

隨著霧霾天氣頻繁出現(xiàn)，嚴重影響了人們的生活和健康。人民對霧霾的關(guān)注度越來越高，人們迫切希望能實時動態(tài)的掌握家居和關(guān)注地區(qū)的霧霾情況。PM 2.5作為近年來反應(yīng)霧霾程度和空氣質(zhì)量的重要指標參數(shù)，其檢測傳感器研制、檢測儀器開發(fā)以及大范圍內(nèi)PM 2.5分布情況等得到企業(yè)界的重視[1]。為此，本公司在PM 2.5云端大數(shù)據(jù)平臺基礎(chǔ)上，開發(fā)一種具有和云端大數(shù)據(jù)平臺通信的PM 2.5檢測器，一方面方便人們快速檢測PM 2.5以獲知環(huán)境質(zhì)量[2]；另一方面通過云端服務(wù)器可構(gòu)建PM 2.5大范圍污染分別情況，并可服務(wù)本文設(shè)計終端用戶。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

為了達到便攜式設(shè)計，本設(shè)計采用藍牙通信模塊以建立和智能移動終端，如手機的通信，通過智能終端的移動網(wǎng)絡(luò)或WiFi等建立和云端數(shù)據(jù)平臺的internet通信。用戶通過智能終端應(yīng)用APP可實現(xiàn)隨時隨地的PM 2.5檢測與查詢，具有云端服務(wù)的PM 2.5檢測與服務(wù)的系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖1所示。圖中各用戶可以通過藍牙和PM 2.5檢測器近場通信實現(xiàn)PM 2.5的檢測與顯示，通過客戶端APP將檢測結(jié)果、時間、地理位置等信息一并發(fā)送到云端服務(wù)器；同時也通過云服務(wù)進行遠程查詢各地PM 2.5情況。

圖1 具有云服務(wù)的PM 2.5檢測與服務(wù)的系統(tǒng)圖

2 PM 2.5檢測器硬件設(shè)計

為了實現(xiàn)上述具有云端通信的PM 2.5檢測器，檢測器采用藍牙與智能終端通信，利用智能終端APP進行檢測結(jié)果顯示，同時通過智能終端接入internet的靈便性實現(xiàn)與云端服務(wù)器的通信。為了達到便攜的設(shè)計目的，系統(tǒng)采用家居最常用的通電寶供電，即USB供電。系統(tǒng)選用MSP430F149為主控MCU芯片[3，4]；通過選用諾方SDS018傳感器為PM 2.5檢測模塊[5]；選用HC-05藍牙通訊模塊作為連接智能終端的通信手段。藍牙模塊、傳感器模塊分別與單片機采用串行口通信連接方式，硬件總體設(shè)計框圖如圖2所示。

2.1 PM2.5傳感器接口電路設(shè)計

SDS018 PM 2.5傳感器具有測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定、變化靈敏的特征。該傳感器模塊接口引腳有6個,除了相應(yīng)的電源外，主要用1 μm引腳的PWM輸出方式。 PWM輸出方式主要有兩種，默認為輸出方式1。方式1能夠快速響應(yīng)單片機的要求，每1 s更新1次，測得的數(shù)據(jù)精確度非常高；輸出方式2是只要是結(jié)合以前老款的PM 2.5傳感器，方便用戶升級原來的PM 2.5傳感器，PM 2.5傳感器的輸出方式如表1所示。假如采集周期設(shè)置為 5 s，則低脈沖占空比（%） = 全部低脈沖寬度（ms）/ 5 000（ms）×100 ，脈沖占空比（%）與PM 2.5顆粒濃度（μg/m2）關(guān)系線性，具體數(shù)值可參閱模組手冊。

電路設(shè)計中將MCU的P1.1引腳與傳感器的1 μm的引腳連接，傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過MCU處理后通過藍牙通信發(fā)送到手機APP。傳感器模塊與MCU連接圖3所示，圖中包括測量PM 10。

2.2 藍牙接口電路設(shè)計

圖2 PM 2.5檢測器系統(tǒng)原理圖

HC-05藍牙通信模塊，可以同智能終端如手機、電腦等藍牙主機通信，藍牙模塊的引腳有NC、VCC、GND、TXD、RXD、STATE共6個引腳。具體接口電路設(shè)計時除工作電源外，將藍牙模塊的TXD與MCU的RXD引腳P3.7相連；藍牙模塊的RXD與MCU的TXD引腳P3.6相連，實現(xiàn)藍牙模塊與MCU的串行數(shù)據(jù)傳送，具體接口電路略。

3 軟件設(shè)計

3.1 PM 2.5檢測器軟件設(shè)計

硬件嵌入式軟件采用C語言編寫，程序內(nèi)容包括MCU初始化、傳感器初始化、傳感器檢測與數(shù)據(jù)處理、藍牙初始化以及通信等。程序流程圖如圖4所示。

3.2 智能終端APP設(shè)計

智能終端APP主要用于建立藍牙連接后接收硬件藍牙模塊發(fā)送過來的PM 2.5的數(shù)據(jù)并進行顯示，同時APP還獲取用戶所在地理位置、系統(tǒng)當前時間等數(shù)據(jù)，通過云端服務(wù)器的IP地址向其發(fā)送數(shù)據(jù)和獲取相關(guān)查詢數(shù)據(jù)， APP設(shè)計流程圖圖如5所示。

表1 傳感器輸出方式1

圖3 PM 2.5傳感器模塊與MCU連接電路圖

圖4 硬件嵌入式軟件流程圖

圖5 APP軟件流程圖

4 結(jié)論

本文通過設(shè)計一種具有云端通信功能的PM 2.5檢測器的軟硬件，實現(xiàn)了快速檢測空氣中的PM 2.5濃度；通過設(shè)計智能終端APP，實現(xiàn)了通過APP顯示PM 2.5數(shù)據(jù)， 同時APP將PM 2.5、系統(tǒng)時間、地理位置發(fā)送至云端服務(wù)器。經(jīng)測試，測試結(jié)果準確，實現(xiàn)了APP顯示和云端的通信，有助于公司對PM 2.5大數(shù)據(jù)的管理和應(yīng)用戰(zhàn)略。

[1] 李杰.一種基于單片機的空氣質(zhì)量自動測控系統(tǒng)設(shè)計[J].電子測試, 2016.3: 34-36.

[2] 孫波,李爽. PM 2.5檢測方法及研究進展[J].山東化工, 2015, 44(9): 56-57.

[3] 梅祥.基于STM32 的PM 2.5 檢測系統(tǒng)設(shè)計[J].工業(yè)控制計算機, 2016, 29(9):159-160.

[4] 濟南諾方電子技術(shù)有限公司,激光PM 2.5傳感器規(guī)格書[Z]. 2015. 10.

[5] 沈建華,楊艷琴.MSP430超低功耗單片機原理與應(yīng)用[M].北京:清華出版社, 2013.

吳觀德（1984.5- ），男，大學(xué)，助理工程師，主要從事智能硬件研究與開發(fā)工作。

Design of PM 2.5 Detector With Cloud Server Communication

WU Guan-de1, OU-YANG Ming-ting2
(1. Huizhou Tesy Technology Co., Ltd., Huizhou 516007；2.School of Optoelectronic Information,University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054，)

This paper designs a rapid detection of PM 2.5 as the company PM 2.5 large data intelligent hardware terminal. The system uses MSP430F149 as the master MCU, chooses SDS018 PM 2.5 sensor module and hc-05 Bluetooth communication module, sensor module and Bluetooth communication module are connected with the MCU serial port and communication. MCU time to collect the sensor module data, through the Bluetooth communication module to send PM 2.5 data to the intelligent terminal, through the design of intelligent terminal APP can display PM 2.5, while the APP sends system time, geographical location to the cloud server to achieve the company PM 2.5 large data management and application.

PM 2.5; Bluetooth; intelligent hardware

TP273.9

A

1004-7204（2017）03-0059-04

本文得到惠州市科技計劃項目（編號：2015B010002005、2014B020004020）資助。