基于移動端的空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)的設計與研究

陳楨杰　袁勇威

【摘 要】隨著社會工業(yè)化的進程，生活環(huán)境成為現(xiàn)代社會關注的焦點，近幾年關于PM2.5等話題更是吸引人們的眼球。在一些諸如北京，唐山等大城市，霧霾問題已非常嚴峻，廣受人們關注，各種大型空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)建立，但霧霾問題還是不能有效解決。現(xiàn)在智能手機的普及率很高，基本每個人都能隨時隨地的通過手機看當?shù)氐奶鞖馇闆r，看是不是下雨，看溫度是多少，當然，也能看空氣質(zhì)量的數(shù)值，有沒有霧霾，但這些一般采集的都是網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，難以實時測量，我們不能看到具體的直觀的內(nèi)容，難以引起人們的重視。結(jié)合以上現(xiàn)狀，將智能設備和嵌入式設備結(jié)合在一起，通過特殊的傳感器來檢測PM2.5等有害氣體，在移動端給出相關的提示和警告，實現(xiàn)生存環(huán)境的智能檢測，來設計并實現(xiàn)空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)。

【關鍵字】Android；WiFi模塊；移動端；PM2.5

中圖分類號： TP311.52 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）25-0014-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.25.006

近年來，隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)也在快速增長。但是，經(jīng)濟發(fā)展的同時，一些負面影響也隨之而來。比如，在石油化工等專業(yè)領域中，由于各種各樣的原因，經(jīng)常有毒氣泄漏，氣體爆炸等事件發(fā)生，人們的安全和國家的經(jīng)濟受到了極大的損失。在農(nóng)村，一氧化碳中毒非常常見，一個成年人如果攝入超過50ppm就會中毒，程度輕的會頭疼，惡心，嚴重的甚至會深度昏迷。

此外，霧霾現(xiàn)象極其普遍，其中危害最大的就是懸浮在空氣中的灰塵煙霧等物質(zhì)，也就是PM2.5，這些直徑小于或等于2.5微米的可吸入顆粒如被吸入體內(nèi)會對呼吸道進行感染，會造成呼吸困難，嚴重的甚至會引發(fā)死亡，這些微小顆粒只要來自于路面灰塵，燃燒秸稈，廠房垃圾以及汽車尾氣等。

更重要的是人民普遍關注大氣污染而忽略了室內(nèi)的空氣情況，而相關信息顯示：室內(nèi)的PM2.5指數(shù)可能比室外的更高，因為室內(nèi)相對封閉且有各種裝修物和煙氣。

為了保護人民的身心健康，保障國家穩(wěn)步發(fā)展，一種有效的空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)已刻不容緩。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 空氣質(zhì)量檢測方法的發(fā)展

人民不想但不得不承認的是全球環(huán)境正在惡化，發(fā)達國家在上世紀七八十年代就開始研究空氣質(zhì)量檢測，這四十年來逐漸發(fā)展和完善以及推廣，現(xiàn)如今很多國家都能采用先進的空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)對空氣質(zhì)量進行全天候檢測。

一開始大家用“濕式檢測”來檢測空氣質(zhì)量指數(shù)，濕式檢測可分為“庫倫法”和“電導法”，都是用化學方法檢測，這就帶來了一系列的問題，很不方便，后來大家研究出來一種依靠光學原理的“干式檢測”只要把東西長久放在空氣下就行，操作維護都很簡單?，F(xiàn)如今，國外有兩種非常先進的檢測系統(tǒng)，差分光譜吸收儀系統(tǒng)和新型紅外系統(tǒng)，差分光譜吸收儀系統(tǒng)可以檢測多種氣體，而新型紅外系統(tǒng)可以對一種氣體進行非常精準的檢測。

差分吸收光譜法用于測量大氣中的痕量氣體濃度，即利用光線在大氣中傳輸時各種氣體分子在不同波段有不同差分吸收的特性來反演這些氣體在大氣中的濃度。

利用紅外線進行氣體分析，它基于待分析組分的濃度不同，吸收的輻射能不同，剩下的輻射能使得檢測器里的溫度升高不同，動片薄膜兩邊所受的壓力不同，從而產(chǎn)生一個電容檢測器的電信號，就可間接測量出待分析組分的濃度。

改革開放以來我國因為工業(yè)發(fā)展排放了大量廢氣，所以國內(nèi)空氣檢測主要先在城市中，然后延伸到農(nóng)村，主要先在室外，然后延伸到室內(nèi)。

但是在一開始，我國研究空氣質(zhì)量剛起步時，因為國內(nèi)沒有自主研發(fā)的產(chǎn)品，全依賴進口，然而在管理上沒有經(jīng)驗，檢測數(shù)據(jù)很多都沒有利用充分，檢測標準也沒有統(tǒng)一，導致大量數(shù)據(jù)變成無用數(shù)據(jù)，可謂吃盡苦頭，現(xiàn)在我國有了兩種空氣檢測方法，分別是長光程空氣自動檢測和干法空氣自動檢測。

1.2 空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)的現(xiàn)狀

從系統(tǒng)功能上說可分為檢測室內(nèi)，和檢測室外的。

（1）有檢測室內(nèi)甲醛的?？偹苤瑒傃b修的房子是不能住的，會有甲醛等有害物質(zhì)散發(fā)出來，而且各地城市都很嚴重的PM2.5也會嚴重污染室內(nèi)空氣，隨著人民健康意識的提升，這個系統(tǒng)方案也就應運而生，改系統(tǒng)使用以太網(wǎng)技術傳輸數(shù)據(jù)，用Yeelink網(wǎng)頁技術對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行處理，并提供傳感器云服務，用戶在手機和電腦上都能進行設備管理和數(shù)據(jù)查詢。[1]

（2）有檢測教室環(huán)境的。教室中的溫度，二氧化碳濃度，干濕程度會影響師生的健康狀況和學習效率。該系統(tǒng)使用藍牙進行數(shù)據(jù)傳輸，價格便宜，體積小，使用方便。[2]

（3）有檢測道路汽車尾氣程度的。城市規(guī)劃建設中必不可少的是權(quán)衡汽車尾氣污染，此系統(tǒng)就是為了定量統(tǒng)計汽車尾氣，實時檢測道路空氣質(zhì)量的變化。該系統(tǒng)通過多個無線檢測節(jié)點采集數(shù)據(jù)，然后使用WiFi傳輸數(shù)據(jù)到中心服務器，這種城市化的系統(tǒng)具有廣闊的市場。[3]

（4）有對整個城市空氣質(zhì)量進行檢測的設計。因為檢測空氣質(zhì)量的傳感器不可能遍布整個城市，所以傳統(tǒng)的方法就是人工取樣分析法，但其實時性較差且易受人為影響，當然還可以從國外進口先進的環(huán)境檢測站，但一來太貴，二來維護也不方便，所以也不適應中國國情，該設計中以車輛為載體，使用Raspberry Pi技術和GPS定位系統(tǒng)進行對環(huán)境空氣質(zhì)量的實時動態(tài)檢測。[4]

（5）有對工業(yè)生產(chǎn)進行檢測的。該系統(tǒng)基于ZigBee無線技術，網(wǎng)絡容量大，可以容納大量終端，可以大規(guī)模進行管理，可以同時測量多種氣體。[5]

（6）還有一種基于訂閱的設計。人們想要檢測哪的空氣質(zhì)量，可以基于該系統(tǒng)訂閱，支付一定的費用使其在該地安裝傳感器檢測數(shù)據(jù)并推送到移動訂閱終端，可以實現(xiàn)端到端的信息高度共享且部署簡單靈活，可以方便一些個人和組織的需求。[6]

2 系統(tǒng)研究及設計

2.1 從系統(tǒng)性能上來說，一套空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)分為3部分，即收集數(shù)據(jù)模塊，傳輸數(shù)據(jù)模塊，和分析顯示模塊。

（1）收集數(shù)據(jù)就是利用傳感器通過光學或化學方法采集數(shù)據(jù)，市面上有多種不同種類的單片機可以使用如AT89S52單片機，51單片機，STC，STM系列等。

（2）傳輸數(shù)據(jù)涉及到系統(tǒng)架構(gòu)，起到承上啟下的作用，比較常見的就是串口，藍牙，WiFi，ZigBee。

藍牙體積小，價格便宜，當然傳輸距離也短，此外這種傳輸方式傳輸數(shù)據(jù)還很快，但經(jīng)常有數(shù)據(jù)出錯，而且耗電量也大，這種傳輸方式目前已非常普遍。

隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，現(xiàn)在基本到處都有WiFi，可以說是深入人心，這種方式傳遞數(shù)據(jù)很快，當然丟失的數(shù)據(jù)也很多，耗電量比藍牙還多。WiFi模塊有兩種工作模式，AP模式和STA模式，AP模式下WiFi模塊是無線網(wǎng)的中心，其他設備可以接入無線局域網(wǎng)；STA模式下WiFi模塊是無線網(wǎng)的一個節(jié)點，即WiFi模塊接入其他的無線網(wǎng)，相對于手機之類的事物，其數(shù)據(jù)可傳至遠程服務器上，所以它就支持兩種工作模式，即單機模式和聯(lián)網(wǎng)模式。[7]

ZigBee傳輸數(shù)據(jù)是通過多處協(xié)作的，它是通過組網(wǎng)進行通信，其傳輸數(shù)據(jù)速度一般，但是傳輸錯誤的很少，而且耗電量也少。無線路由器和監(jiān)測終端可以自行找到與自己適配的網(wǎng)絡ID并進入，很不錯的一種方式。

還有一種必要的傳輸方式，每個手機都能使用流量，從2G到3G到4G，這是一種很厲害傳輸方式，它傳輸數(shù)據(jù)快，距離遠，與之相對的是它丟失的數(shù)據(jù)多，耗電量大。

隨著時代的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)漸漸進入人們的視野，智慧城市技術漸漸成熟，但這些傳輸方式都不適合，于是更適合的傳輸方式應運而生，即低功耗廣域網(wǎng)絡，它專門傳遞小型數(shù)據(jù)，傳輸距離遠，而且功耗低，一塊電池可以用好幾年，其中最著名的就是NB-lot和Lora，NB-lot有自己的專屬跑道，而Lora雖然沒有但其更靈敏，抗干擾性強，適合在企業(yè)專網(wǎng)工作。

（3）分析顯示模塊是最后的部分，與用戶體驗息息相關。該模塊功能分為分析和顯示。

分析即分析從傳感器上傳輸來的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)要經(jīng)過處理才能更符合用戶的需求。比如可以將檢測到的數(shù)據(jù)制作成線性圖表使其更直觀。

有個對空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)的設計就提出要對影響空氣質(zhì)量指數(shù)污染因子的歷史濃度做出分析，從而求出將來污染指數(shù)的變化有，以能更好得指導人們的生活，其通過統(tǒng)計算法對采集的數(shù)據(jù)進行挖掘和分析并通過機器學習來進行預測，應該說可行性很高。[8]

顯示是與用戶交互的環(huán)節(jié)，也有多種方法。最簡單的可以通過串口連接LCD燈直接將結(jié)果顯示出來。

現(xiàn)如今基本人人隨身攜帶一部手機，所以將手機囊括在空氣質(zhì)量檢測體系中是有意義的，能使人民群眾能隨時方便地直觀了解當前空氣質(zhì)量，對于人民的生活具有極其重要的意義。

所以顯示最好與手機相結(jié)合。

現(xiàn)在幾乎人人都能上網(wǎng)，手機電腦早已走進家家戶戶，app，微信，QQ等幾乎人人在用，就有人設計了網(wǎng)頁顯示數(shù)據(jù)，Android app顯示數(shù)據(jù)，微信公眾號顯示數(shù)據(jù)等方法，全方位滿足用戶的需求。

2.2 系統(tǒng)設計

現(xiàn)在人們可以通過手機從網(wǎng)上直接查詢當?shù)氐目諝赓|(zhì)量，但這是空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)檢測的這片區(qū)域的空氣質(zhì)量，應用于某一點是還是有誤差的，正如人們常常抱怨天氣預報不準一樣，這種空氣質(zhì)量檢測也會不準，而且隔著手機傳遞出來的信息人們也不夠重視。所以，如果能讓人們直觀的看到其所處的地方的空氣質(zhì)量，對于指導其生活是有重大意義的，如果有這么一種便攜式的實時的基于移動端的空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)，人們在抽煙時會驚訝地發(fā)現(xiàn)空氣污染指數(shù)如此之高，在有大霧時發(fā)現(xiàn)空氣污染指數(shù)比沒有霧時高很多，在早晨時空氣質(zhì)量遠低于晚上.......人們會對空氣質(zhì)量有一種更貼近生活，更直觀的感受。

現(xiàn)在市面上有很多大型的空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)可以系統(tǒng)的檢測一塊地方的空氣質(zhì)量，但是便攜性不強，也有小型空氣質(zhì)量檢測器，但是不能與手機進行有效結(jié)合，使得人們不方便使用，不愿意攜帶這么個“不順手的東西”。所以我就想要設計一個能隨身攜帶的，與手機相關聯(lián)的小物件，可以隨時提醒自己空氣質(zhì)量如何如何。

在硬件方面，使用 STM32開發(fā)板，用Arduino IDE進行編程，并使用PM2.5傳感器。STM32單片機的工作頻率最高可達到72MHZ，而且代碼執(zhí)行效率很高，使用單周期乘法器和硬件除法。嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)使用Arduino IDE，該軟件提供的開發(fā)調(diào)試工具使用簡單且能滿足大部分需求，代碼編寫效率很高。在傳感器方面PM2.5效果很好，在線性度和靈敏度以及分辨率這方面較好，工作溫度20-40攝氏度左右，具有較長的使用壽命和較好的工作穩(wěn)定性。

軟硬件間通信方面使用WiFi模塊，在通信的距離上WiFi既可以通過AP模式單機近距離進行傳輸數(shù)據(jù)，也可以通過STA模式聯(lián)網(wǎng)遠距離進行通信，數(shù)據(jù)可傳輸至遠程服務器上，即可以AP+STA工作。

底層硬件設備需要與移動端進行數(shù)據(jù)交換，在通訊協(xié)議方面自定義。該系統(tǒng)主要是空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的上傳，即上行數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)交互時，底層硬件系統(tǒng)開啟UDP server服務，客戶端作為UDP Client連接硬件系統(tǒng)。數(shù)據(jù)格式由包頭、數(shù)據(jù)區(qū)和校驗字節(jié)組成，具體格式如下：

包頭：2字節(jié)，固定為0X1E，0X1E；

數(shù)據(jù)區(qū)：2字節(jié)，顯示PM2.5數(shù)據(jù)

校驗字節(jié)：1字節(jié)

軟件方面使用Android Studio進行編寫，本系統(tǒng)Android客戶端采用單機模式，手機和硬件一起組成了一個空氣質(zhì)量檢測儀，手機可以對數(shù)據(jù)進行及時顯示，數(shù)據(jù)無需存儲，簡單方便快捷。用戶可以連接硬件端的無線來接受數(shù)據(jù)，通過設定閾值發(fā)出通知來提醒用戶空氣質(zhì)量，硬件端可做成掛件隨身攜帶。

初步設定客戶端支持空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)顯示的功能，通過讀取WIFI模塊數(shù)據(jù)來實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的獲取，客戶端工作后就不斷地與硬件系統(tǒng)的WIFI模塊進行交互，交互的時間間隔設定為固定值。實時數(shù)據(jù)顯示模塊以數(shù)字的形式顯示數(shù)據(jù)，客戶端在接受數(shù)據(jù)后直接將數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)顯示線程，數(shù)字顯示線程在接受到數(shù)據(jù)后刷新當前頁面?？蛻舳孙@示頁面上方會有一個顯示條顯示出當前系統(tǒng)的工作狀態(tài)，包括WIFI連接狀態(tài)，系統(tǒng)時間等。WIFI正常連接到硬件端時，WIFI圖標亮，否則圖標為灰色。

3 結(jié)語

該基于Android的空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)，主要包括借助Android開發(fā)平臺Android Studio進行語言編程，硬件方面的嵌入式和空氣質(zhì)量傳感器的調(diào)試和功能實現(xiàn)，以及軟硬件間的聯(lián)調(diào)，以實現(xiàn)空氣質(zhì)量監(jiān)測及移動端顯示報警。使空氣質(zhì)量傳感器檢測到周圍環(huán)境中的空氣質(zhì)量數(shù)值，若周圍環(huán)境空氣污染嚴重，則數(shù)值超過一定限度，并利用數(shù)值超過閾值的時機進行下一項程序的編程；利用移動端的app接受數(shù)據(jù)，并發(fā)出警告。計劃結(jié)合JAVA語言和Android語言共同進行編程，最終實現(xiàn)當環(huán)境周圍空氣質(zhì)量危害人們的身體健康時自動發(fā)出報警聲，以達到提醒人們遠離，保護自身健康的目的。

【參考文獻】

[1]卞曉曉，方為建，李凡. 基于Yeelink的遠程室內(nèi)空氣監(jiān)測系統(tǒng)設計與開發(fā)[J].電腦編程技巧與維護，2015，（10）：26-27.

[2]彭坤，陳勁杰.基于藍牙的教室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].電子科技，2017，30（02）：123-125+129.

[3]張高敏，王飛飛，周志青. 基于WiFi的空氣質(zhì)量實時監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代電子技術，2016，39（08）：76-79.

[4]周潔，孟強，李陽冬，王瑾.基于Raspberry Pi的車載空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術，2015，5（06）：13-15.

[5]王霞，宋越.基于ZigBee的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的研究設計[J].機械制造與自動化，2014，43（05）：142-145.

[6]凌杰，范文浩，高錦春，吳帆.基于訂閱發(fā)布的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設計實現(xiàn)[J].軟件，2016，37（12）：1-6.

[7]閆濤.基于物聯(lián)網(wǎng)的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設計與應用技術研究[D].山東大學，2016.

[8]劉赟.面向可穿戴設備的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術，2016，39（01）：93-97.