無線空氣質(zhì)量PM2.5測(cè)量系統(tǒng)的研究

李巖 葛冬杰 曹寧 袁玉先 陳振軍 林國治 翟璐

青島濱海學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，山東青島 266555

一、引言

隨著中國現(xiàn)代工業(yè)化進(jìn)程加快和城市化的發(fā)展，及排放到空中的汽車尾氣越來越多，農(nóng)業(yè)焚燒秸稈的面積不斷增大，我們所居住生活的環(huán)境大氣質(zhì)量逐漸下降，人們漸漸意識(shí)到空氣中的粉塵顆粒對(duì)健康的危害不可忽視。

PM2.5是指環(huán)境空氣中直徑小于或等于2.5μm的顆粒物，PM2.5粒徑小、面積大、活性強(qiáng)、易附帶有毒、有害物質(zhì)，且在大氣中的停留時(shí)間長、輸送距離遠(yuǎn)，濃度過高，可能導(dǎo)致人體呼吸、內(nèi)分泌、心血管、神經(jīng)及免疫等系統(tǒng)疾病的發(fā)生，嚴(yán)重影響身體健康?？諝庵械牟煌w粒的形成方式不盡相同。[1][2]表1給出不同污染源形成的不同顆粒物。

本研究中的測(cè)量方法是采用粉塵傳感器測(cè)量空氣中的PM2.5值，傳感器輸出與PM2.5濃度相關(guān)的電壓信號(hào)，并輸送到單片機(jī)中，數(shù)據(jù)處理后，通過無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳送至手機(jī)或計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后可了解近期每天的空氣質(zhì)量情況。[4]

表1 空氣中若干種顆粒的百分比[3]

二、實(shí)驗(yàn)硬件電路設(shè)計(jì)

本測(cè)試裝置中主要結(jié)構(gòu)包括粉塵傳感器、單片機(jī)、無線發(fā)射模塊、液晶顯示模塊。圖1為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖及硬件結(jié)構(gòu)全圖。首先采用粉塵傳感器對(duì)空氣中粉塵濃度進(jìn)行檢測(cè)，將粉塵濃度轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，然后經(jīng)過單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后通過無線發(fā)射模塊進(jìn)行信號(hào)的發(fā)射，終端接收模塊進(jìn)行信號(hào)的接收。

1、粉塵傳感器

粉塵傳感器的型號(hào)為GP2Y1014AU0F，用于PM2.5濃度值檢測(cè)，這是夏普公司生產(chǎn)的新型光學(xué)質(zhì)量傳感器，傳感器中心有個(gè)洞可以讓空氣自由流過，內(nèi)部對(duì)角安放著紅外線發(fā)光二極管和光電晶體管，定向發(fā)射LED光，通過檢測(cè)經(jīng)過空氣中灰塵折射過后的光線來判斷灰塵的含量，可測(cè)量0.8μm以上的微小粒子，輸出的模擬電壓正比于所測(cè)得的粉塵濃度，靈敏度為0.5V/(0.1mg/m3)，工作電壓為-0.3V～+7V，電源電壓在5V左右，通過MCU對(duì)其進(jìn)行脈沖驅(qū)動(dòng)，I/O口采集其模擬量，并利用A/D轉(zhuǎn)換得到與模擬量對(duì)應(yīng)的空氣質(zhì)量值。外形及狀態(tài)圖如圖2所示。

2、單片機(jī)

單片機(jī)處理單元的型號(hào)分別為STC15F2K60S2、STC89C52，其中STC15F2K60S2控制粉塵傳感器和無線通訊模塊，STC89C52控制液晶顯示器及時(shí)鐘。圖3為單片機(jī)STC15F2K60S2和STC89C52的連線原理圖。

3、無線發(fā)射模塊

無線發(fā)射模塊采用果云A6模組，工作電壓為3.3V～4.2V，開機(jī)電壓大于3.4V。模組支持GSM/GPRS 4個(gè)頻段，包括 850,900,1800,1900MHZ；支持語音通話、SMS 短信、GPRS 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、2G /3G/4G移動(dòng)卡/聯(lián)通卡，支持標(biāo)準(zhǔn) GSM07.07,07.05 AT 命令及 Ai Thinker 擴(kuò)展命令，有2 個(gè)串口，一個(gè)下載串口，一個(gè) AT 命令口。此模塊在電路中與MCU進(jìn)行連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信與傳輸，發(fā)送對(duì)應(yīng)的AT指令對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送操作。

4、液晶顯示器

顯示采用的是LCD1602，它能夠同時(shí)顯示16×02即32個(gè)字符。1602采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，8個(gè)數(shù)據(jù)位，內(nèi)部采用ASCII顯示。在該儀器中的作用是從DS1302中讀取的時(shí)間以及對(duì)采集的濃度值顯示，可以讓使用者直觀地觀測(cè)到當(dāng)前時(shí)間及濃度值的變化。

5、時(shí)鐘電路

采用DS1302芯片完成定時(shí)功能，該芯片是由美國DALLAS公司推出的具有涓細(xì)電流充電能力的低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，可以對(duì)年、月、日、周、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，且具有閏年補(bǔ)償?shù)榷喾N功能，主要特點(diǎn)是采用串行數(shù)據(jù)傳輸，可為掉電保護(hù)電源提供可編程的充電功能，并且可以關(guān)閉充電功能。采用32.768kHz晶振，通過MCU的I/O口對(duì)其進(jìn)行操作編程便可讀取內(nèi)部數(shù)據(jù)。

三、軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)儀器啟動(dòng)后，軟件部分進(jìn)行初始化，對(duì)各個(gè)硬件進(jìn)行參數(shù)檢查，如通訊模塊有無開啟等，如不符合則會(huì)重新啟動(dòng)，如果正常則會(huì)繼續(xù)運(yùn)行。

功能分為兩大功能：定時(shí)發(fā)送功能和預(yù)警功能。定時(shí)功能主要是當(dāng)DS1302芯片計(jì)時(shí)時(shí)間到達(dá)人為設(shè)定的時(shí)間時(shí)，MCU處理器隨之給檢測(cè)空氣質(zhì)量傳感器一個(gè)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，MCU并進(jìn)行讀取保存，同時(shí)MCU會(huì)通過通信系統(tǒng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)并將數(shù)據(jù)傳送給LCD1602進(jìn)行顯示，檢測(cè)有沒有發(fā)送成功，如果發(fā)送成功會(huì)將內(nèi)置標(biāo)志位置1，隨后軟件復(fù)位，為下一次發(fā)送做準(zhǔn)備，反之重新發(fā)送。預(yù)警功能主要是在MCU內(nèi)設(shè)定濃度值，如若采集濃度值到達(dá)該值時(shí)，MCU會(huì)將數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)并將數(shù)據(jù)傳送給LCD1602進(jìn)行顯示。如果沒有到達(dá)濃度值便繼續(xù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。整個(gè)流程主要完成定時(shí)、顯示、通訊、檢測(cè)四大部分的功能。系統(tǒng)中的定時(shí)部分是每天可對(duì)每個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行定時(shí)設(shè)置，儀器便會(huì)在每個(gè)定時(shí)點(diǎn)進(jìn)行采集PM2.5數(shù)據(jù)，發(fā)送到手機(jī)和上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。圖5為實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)流程圖。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果采集與數(shù)據(jù)分析

目前有檢測(cè)站利用簡易玻璃纖維濾膜在空氣中停留2個(gè)小時(shí)，從早晨9:00至11:00時(shí)間段內(nèi)玻璃纖維濾膜吸附微顆粒物的情況為樣品。首先對(duì)濾膜進(jìn)行處理，每張濾膜在進(jìn)行采樣前需用光照檢查，把含有針孔和其他缺陷的濾膜剔除。[5][6]將附著有微顆粒物的玻璃纖維濾膜放置于檢測(cè)系統(tǒng)采樣器內(nèi)，激光器發(fā)射的激光首先通過一張沒有附著顆粒物的濾膜，玻璃纖維濾膜的透光性很好，以便在另一側(cè)用光敏電阻接收激光光強(qiáng)，通過放大電路將光敏電阻的電阻變化經(jīng)電路進(jìn)行放大后，得到相應(yīng)的電壓值，將電壓值與PM2.5值進(jìn)行正向?qū)Ρ?，從而得到采樣?shù)據(jù)，根據(jù)清晨大氣污染情況對(duì)樣品進(jìn)行連續(xù)采樣測(cè)試，得到與輸出電壓相應(yīng)的PM2.5值，進(jìn)行從量上分析大氣污染情況。[7]

我們預(yù)先將一定質(zhì)量的微顆粒物吸附于吸塵紙上，然后經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試得到輸出電壓值，以求得到電壓與PM2.5的相對(duì)應(yīng)值。將理論值（指對(duì)大氣污染程度級(jí)別的理論值）與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，得到相應(yīng)的大氣污染情況。由于空氣中的粉塵微粒體積小，重量輕，所以粉塵試紙容易吸附這些微粒，使測(cè)試結(jié)果的采集工作較易完成。

采用搭建好的測(cè)試設(shè)備系統(tǒng)對(duì)不同時(shí)間、地點(diǎn)的空氣質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到空氣中PM2.5值如圖6所示。本系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)地點(diǎn)距離Airsisual軟件青島黃島區(qū)監(jiān)測(cè)子站大約4km左右，測(cè)量值與其公布的數(shù)據(jù)有一定誤差，大約在±10μg/m3。

從圖中我們可以直接看到PM2.5值的變化情況。5月10日上午從6點(diǎn)至12點(diǎn)，PM2.5從35μg/m3到47μg/m3，根據(jù)空氣污染指數(shù)的定義范圍，可知空氣質(zhì)量為優(yōu)，為I級(jí)。5月12日污染情況較為嚴(yán)重，上午10點(diǎn)時(shí)濃度值最小為70μg/m3，而中午12點(diǎn)已經(jīng)超過了500μg/m3，達(dá)到嚴(yán)重污染等級(jí)。

五、結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)中采用的光電傳感器檢測(cè)微粒濃度的方法，原理簡單，檢測(cè)方便，精度高，測(cè)量結(jié)果靈敏度高，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量，對(duì)于在空氣質(zhì)量較差時(shí)的環(huán)境情況，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能通過無線模塊進(jìn)行發(fā)射傳輸，起到及時(shí)預(yù)警的作用，傳輸模塊成本低，信息顯示簡單易懂。本設(shè)計(jì)的產(chǎn)品可在工廠，學(xué)校，醫(yī)院、道路交通站等需要對(duì)環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)的地點(diǎn)使用，應(yīng)用性廣泛。