車輛PM2.5排放監(jiān)測系統(tǒng)

方彥清

摘 要：車輛的PM2.5排放檢測方法眾多，本系統(tǒng)選擇了SDS011傳感器作為PM2.5主要的檢測工具。其采用激光散射的原理對(duì)直徑0.3～10μm的顆粒物濃度進(jìn)行檢測，數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，性能穩(wěn)定。選擇了STM32F103RCT6作為PM2.5檢測系統(tǒng)的核心。采用了GPRS作為無線傳輸模塊，完成車輛排放無線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：PM2.5 車輛排放 無線監(jiān)測

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）09（b）-0116-02

大氣顆粒物會(huì)威脅到人類的健康，對(duì)人體產(chǎn)生各種不良影響。不僅如此，它還會(huì)影響大氣的氣候、降水的多少及成分。而大氣顆粒物又是氣溶膠的組成部分，組成氣溶膠的還有空氣等混合物。顆粒物本質(zhì)上是以固體或液體的微觀形式存在，通常懸浮在空氣中。據(jù)相關(guān)調(diào)查，當(dāng)人類和動(dòng)物長期處在高濃度PM2.5的環(huán)境下，會(huì)產(chǎn)生一系列不良反應(yīng)乃至各種疾病，例如：呼吸系統(tǒng)相關(guān)疾病、心血管相關(guān)疾病、出生缺陷、過早死亡等。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

PM2.5檢測方法眾多，本系統(tǒng)選擇了SDS011傳感器作為PM2.5主要的檢測工具。其采用激光散射的原理對(duì)直徑0.3～10μm的顆粒物濃度進(jìn)行檢測，數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，性能穩(wěn)定。選擇了STM32F103RCT6作為PM2.5檢測系統(tǒng)的核心。STM32系列為以ARM Cortex-M3為內(nèi)核的滿足高性能、低功耗、低成本的SOC，它是嵌入式開發(fā)的絕佳選擇之一。采用了NRF24L01作為無線傳輸模塊，其傳輸速度快，丟包率低，擁有CRC校驗(yàn)和自動(dòng)重發(fā)功能，準(zhǔn)確率高。以上是硬件部分的設(shè)計(jì)，對(duì)于軟件部分，采用了MFC設(shè)計(jì)的UI程序，能夠?qū)崟r(shí)顯示出PM2.5和PM10的數(shù)值，并根據(jù)國家制定的《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定（試行）》（HJ633-2012）計(jì)算AQI指數(shù)，通過AQI指數(shù)對(duì)空氣質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)分級(jí)，以標(biāo)準(zhǔn)色進(jìn)行顯示。最終成果包含PM2.5硬件檢測系統(tǒng)和上位機(jī)軟件兩部分。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)核心采用STM32F103RCT6。PM2.5傳感器通過導(dǎo)線連接到STM32的USART3引腳上，而STM32通過USART中斷將PM2.5和PM10的數(shù)據(jù)包接收并校驗(yàn)，經(jīng)過計(jì)算得到真正的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)通過TFT屏進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，方便觀測人員在室外進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)觀測。與此同時(shí)GPRS將PM數(shù)值實(shí)時(shí)傳送到上位機(jī)。硬件系統(tǒng)的電源由7.2V鎳氫電池組外通過自主設(shè)計(jì)并焊接的5V穩(wěn)壓電路提供。

2.2 PM2.5傳感器電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用的SDS011PM2.5傳感器采用了光散射測量法：利用了光的散射原理，當(dāng)光線照射到顆粒物會(huì)向四周發(fā)生散射，收集散射相關(guān)的參數(shù)，例如：空間中散射的光強(qiáng)分布、空間中散射的光能分布、散射光發(fā)生的偏振與透射的光照強(qiáng)度比入射光的光強(qiáng)衰減多少等數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)都與PM2.5的直徑相關(guān)，可以作為測量PM2.5的依據(jù)。因?yàn)槔霉獾纳⑸溥M(jìn)行測量，速度快，實(shí)時(shí)性好，自動(dòng)化程度高，因此適于用作PM2.5的測量方法，本課題使用的就是這種方法。

光散射的方法并不是直接測量PM2.5的濃度，而是采用間接的觀測方法，即光被散射后的光照強(qiáng)度，顆粒物散射光的光照強(qiáng)度與它的質(zhì)量濃度是正比例的關(guān)系。也就是說，可以利用測量到的散射光強(qiáng)度，再帶入到公式當(dāng)中，結(jié)合轉(zhuǎn)換系數(shù)就能夠計(jì)算出PM2.5的濃度了。這種方法通常需要PM2.5的檢測儀器有風(fēng)扇或者空氣泵等類似的裝置，因?yàn)樗罂諝獗仨毷橇鲃?dòng)的。光散射法可靠性高，自動(dòng)化程度也比較高。

SDS011共有7個(gè)引腳，分別是：NC：作為備用的控制引腳；1μm：通過PWM波輸出大于0.3μm的顆粒物濃度；25μm：通過PWM波輸出大于2.5μm的顆粒物濃度；5V：SDS011的電源，標(biāo)準(zhǔn)5V輸入；GND：SDS011的地引腳；RXD：傳感器的串口接收引腳；TXD：傳感器的串口發(fā)送引腳。這些引腳都通過導(dǎo)線與各種類型的MCU串口相連接，進(jìn)行PM2.5和PM10數(shù)據(jù)的傳送輸出。

SDS011會(huì)通過串口發(fā)送10個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)包。其中包含：AA（報(bào)文頭）、C0（指令號(hào)）、PM2.5低字節(jié)、PM2.5高字節(jié)、PM10低字節(jié)、PM10高字節(jié)、傳感器ID、傳感器ID2、校驗(yàn)和、報(bào)文尾。也就是說它并不能直接傳送我們需要的PM2.5和PM10數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行校驗(yàn)，并取出十六進(jìn)制的PM數(shù)值的4個(gè)字節(jié)。再通過計(jì)算才能夠得到真正的PM數(shù)值。SDS011的數(shù)據(jù)手冊提供的計(jì)算公式：

PM2.5值=（（PM2.5高字節(jié)×256）+PM2.5低字節(jié)）/10

PM10值=（（PM10高字節(jié)×256）+PM10低字節(jié)）/10

在硬件上將PM2.5傳感器SDS011與STM32的USART3相連接。軟件上用中斷函數(shù)來處理SDS011傳來的數(shù)據(jù)包，這樣會(huì)節(jié)約CPU資源，而不是每時(shí)每刻都通過輪詢來檢測是否接收到了數(shù)據(jù)包。在中斷函數(shù)中主要做了數(shù)據(jù)包的報(bào)文頭校驗(yàn)、接收數(shù)據(jù)，并且當(dāng)需要的數(shù)據(jù)（PM2.5和PM10的4個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)）接收完畢后，置標(biāo)志位。

在USART3的中斷函數(shù)中首先是進(jìn)行判斷：是否真的產(chǎn)生了中斷。在確定產(chǎn)生了中斷之后，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，是否是報(bào)文頭（0xAA 0xC0），如果是報(bào)文頭，則之前定義的全局累加變量head自動(dòng)加一，當(dāng)檢測完兩個(gè)字節(jié)的報(bào)文頭后開始接收PM2.5和PM10共4個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)在定義的全局?jǐn)?shù)組u3rxbuf中，這里，如果USART3接收到的不是報(bào)文頭，那么head變量會(huì)清零。這里是對(duì)接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行校驗(yàn)。當(dāng)head等于2，開始存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，end變量也開始累加，end變量的作用是每當(dāng)接收一個(gè)字節(jié)就自動(dòng)加一，當(dāng)接受完4個(gè)字節(jié)后，將全局變量start置一，head和end清零，便于接收下一個(gè)數(shù)據(jù)包，同時(shí)將USART3中斷關(guān)閉。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

MFC上位機(jī)通過串口編程實(shí)現(xiàn)對(duì)PM2.5和PM10數(shù)據(jù)的接收和處理，并實(shí)時(shí)顯示在UI界面上。上位機(jī)為用戶提供了COM口與波特率的選擇界面，方便打開對(duì)應(yīng)的COM口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)，根據(jù)我國頒布的空氣質(zhì)量新標(biāo)準(zhǔn)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095-2012）計(jì)算AQI（空氣質(zhì)量指數(shù)）并顯示。與此同時(shí)，依據(jù)AQI對(duì)空氣質(zhì)量進(jìn)行分級(jí)，嚴(yán)格按照國家規(guī)定的空氣質(zhì)量指數(shù)級(jí)別和空氣質(zhì)量指數(shù)類別及表示顏色對(duì)空氣質(zhì)量進(jìn)行相應(yīng)的顯示。其中，含有6個(gè)等級(jí)：一級(jí)：優(yōu)，顏色為綠色；二級(jí)：良，顏色為黃色；三級(jí)：輕度污染，顏色為橙色；四級(jí)：中度污染，顏色為紅色；五級(jí)：重度污染，顏色為紫色；六級(jí)：嚴(yán)重污染，顏色為褐紅色。MFC上位機(jī)方便工作人員在室內(nèi)，了解戶外的實(shí)時(shí)PM數(shù)值、AQI和空氣質(zhì)量等級(jí)，由此做出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。

4 結(jié)語

本論文結(jié)合我國目前PM2.5防治的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)并最終實(shí)現(xiàn)了PM2.5污染物監(jiān)測分析系統(tǒng)。本論文完成了硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。其中包括PM2.5傳感器、TFT屏、2.4G無線傳輸模塊NRF24L01+的驅(qū)動(dòng)編寫與硬件連接。對(duì)硬件系統(tǒng)的核心STM32F103RCT6進(jìn)行下位機(jī)編程，構(gòu)造了下位機(jī)的PM2.5檢測系統(tǒng)。能夠?qū)M2.5傳感器檢測到的PM2.5和PM10實(shí)時(shí)顯示在TFT屏上，與此同時(shí)通過GPRS傳送給上位機(jī)設(shè)備。

參考文獻(xiàn)

[1] 北京市環(huán)保局.2015年空氣質(zhì)量報(bào)告[R].北京：北京市環(huán)保局網(wǎng)站，2015.

[2] 劉小二.VS2010之MFC串口通信的編寫教程[Z].賀州：學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新基地，2014.

[3] 劉火良，楊森.STM32庫開發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[4] 蒙博宇.STM32自學(xué)筆記[M].2版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2014.endprint