基于Arduino的PM2.5實時檢測系統(tǒng)

沈華剛 洪香勤 都興隆

摘 要：文章針對城市中PM2.5進行分析監(jiān)視，并把數(shù)據(jù)實行顯示在下位機和網(wǎng)絡端。有利于相關(guān)部門或個人獲得PM2.5數(shù)據(jù)信息，及時對惡劣污染作出反應，減少惡劣環(huán)境對人們的侵害。本系統(tǒng)由Arduino uno R3開發(fā)板、PM2.5傳感器、LCD液晶顯示模塊、蜂鳴器報警裝置、W5100等模塊組成，空氣中的PM2.5被傳感器采集，數(shù)據(jù)經(jīng)過Arduino單片機處理后，顯示在LCD12864顯示屏上，并通過W5100把數(shù)據(jù)傳到網(wǎng)絡端，由C#接收數(shù)據(jù)并保存在數(shù)據(jù)庫中，同時在網(wǎng)絡端顯示數(shù)據(jù)和曲線。

關(guān)鍵詞：Arduino；實時監(jiān)測；PM2.5

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計思路

本設(shè)計所要介紹的是基于Arduino單片機的PM2.5檢測裝置及通過W5100上傳到網(wǎng)絡的網(wǎng)絡顯示系統(tǒng)。利用PM2.5傳感器檢測PM2.5值，經(jīng)Arduino處理后在12864液晶顯示屏上顯示，供人觀測。將獲取的PM2.5值利用C#保存到SQL Server數(shù)據(jù)庫中利用C#，ECharts，JQuery技術(shù)將PM2.5值以折線的形式顯示在網(wǎng)頁中，可以顯示不同時段、不同間隔的PM2.5值，當檢測到的PM2.5值超過警戒值時，在下位機上蜂鳴器會發(fā)聲，同時在液晶屏上出現(xiàn)哭臉，在網(wǎng)絡端會發(fā)郵件給環(huán)境管理人員；當環(huán)境溫度正常時，在下位機上顯示笑臉，并顯示PM2.5數(shù)據(jù)[1]。

2 元器件的選擇

2.1 單片機部分

本系統(tǒng)采用Arduino單片機，該單片機常用于3D打印機的控制，是一塊基于開放源代碼新型開源單片機，包括12數(shù)字通道，4個PWM端口，8個ADC接口，Arduino簡單易學，使用類似Java，C語言編程開發(fā)環(huán)境。使用者可以快速使用Arduino與Flash或Processing等軟件實現(xiàn)常用的功能。

2.2 傳感器部分

選擇工作電壓為4.8～5.2 V夏普二代粉塵傳感器，其工作溫度-20～70 ℃，該傳感器內(nèi)部集成單片機驅(qū)動算法，檢測到PM2.5數(shù)據(jù)直接通過傳感器的串口輸出。在編程時直接通過相應的單片機解析得到16位數(shù)據(jù)即可，數(shù)據(jù)輸出方式有模擬端口和串口兩種方式，在編程時可以利用模擬端口輸出電壓值Vo乘以修正系數(shù)K即得到PM2.5值；也可以利用串口輸出值Vo，實際應用時應該根據(jù)傳感器輸出的不同的電壓確定相應的灰塵質(zhì)量分數(shù)[2]。

2.3 蜂鳴器

蜂鳴器是一種產(chǎn)生鳴叫的電子元器件，采用直流電源供電，在需要報警發(fā)聲或利用聲音起提示功能的電路中經(jīng)常使用。蜂鳴器可以分為兩類：一類是利用電壓發(fā)聲的壓電式蜂鳴器，另一種是利用電磁感應原理發(fā)聲的電磁式蜂鳴器。

3 顯示部分

本次系統(tǒng)選擇了LCD12864液晶顯示屏作為PM2.5顯示部分，LCD12864液晶顯示屏支持串行和并行兩種模式，既可以顯示中文也可以顯示英文和表情符號，在編程時只要把中文和表情利用軟件轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)據(jù)即可在該液晶屏上顯示，可直觀地顯示當前的PM2.5值。

LCD12864液晶顯示屏廣泛應用于單片機控制系統(tǒng)，可以顯示英文也可以顯示漢字、圖片、曲線等數(shù)據(jù)。LCD12864液晶顯示屏集成度很高，一般由行驅(qū)動芯片、數(shù)據(jù)控制芯片和列驅(qū)動芯片三大模塊組成，LCD12864液晶顯示屏帶由漢字庫，所以能夠顯示漢字和表情。Arduino單片機讀寫LCD12864液晶顯示屏數(shù)據(jù)實際上就是對LCD的控制芯片進行讀寫。利用Arduino單片機編程驅(qū)動LCD12864液晶顯示屏時，不需要對LCD12864液晶顯示屏的原理進行深入了解，只要調(diào)用Arduino的液晶顯示屏庫文件和相應的方法就可以了[3]。

LCD12864顯示屏使用時注意事項：（1）當使用LCD12864顯示屏時，在讀取數(shù)據(jù)時視線應該垂直于液晶顯示屏。（2）防止LCD12864顯示屏液晶屏跌落或撞擊，避免液晶顯示屏破裂。（3）液晶顯示屏表面避免有液體，當出現(xiàn)液體時盡快擦干以防止液晶屏腐蝕，降低顯示效果。（4）LCD12864顯示屏液晶屏液晶模組應在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)使用。（5）不要在LCD12864顯示屏的電源斷路器（Power Circuit Breaker，PCB）板上打孔，不要私自打開移動或修改顯示屏的元件。（6）避免靜電[4]。

4 數(shù)據(jù)處理及編程思路

夏普PM2.5傳感器接收到的數(shù)據(jù)按公式計算后轉(zhuǎn)換成電壓Vo的值，計算公式如下：Vo=（Vout（H）×256+Vout（L））/1 024×5。

例如：Vout（H）=0x01，轉(zhuǎn)換為10進制為1；Vout（L）=0xe0，轉(zhuǎn)換為10進制為224；則Vo=（1×256+224）/1024×5=2.344 V。

得到Vo的數(shù)值后，乘以灰塵修正系數(shù)K即可得到PM2.5的質(zhì)量分數(shù)值：灰塵質(zhì)量分數(shù)=K×Vo。

本系統(tǒng)實現(xiàn)PM2.5監(jiān)測方案最基本的實現(xiàn)方法是由Arduino uno R3開發(fā)板、PM2.5傳感器、LCD液晶顯示模塊、蜂鳴器報警裝置、W5100等組件組成的電路，空氣中的PM2.5被傳感器采集，其數(shù)據(jù)經(jīng)過Arduino單片機處理后，最終結(jié)果會在LCD顯示屏上顯示。PM2.5值高于報警值后，蜂鳴器會報警[5]。另外，本課題不僅能夠?qū)崟r檢測PM2.5的質(zhì)量分數(shù)，也可以根據(jù)當前檢測的PM2.5質(zhì)量分數(shù)值是否超標做出反應，超標時蜂鳴器會報警，表情會變成哭臉。報警值可以預設(shè)程序中的臨界值，根據(jù)PM2.5檢測網(wǎng)的空氣質(zhì)量新標準：優(yōu) 0～35 μg/m3，良35～75 μg/m3，輕度污染75～115 μg/m3，中度污染 115～150 μg/m3，重度污染150～250 μg/m3，嚴重污染大于250 μg/m3及以上，故編寫下位機程序的思路如下。

檢測的PM2.5的質(zhì)量分數(shù)值在300以下，蜂鳴器不鳴叫，表示環(huán)境未達到嚴重污染，表情為笑臉；檢測的PM2.5的質(zhì)量分數(shù)值在300以上，蜂鳴器鳴叫，表示環(huán)境達到嚴重污染，表情為哭臉[6]。

對于網(wǎng)絡編程是將Arduino接收到的PM2.5值利用w5100將監(jiān)測到的PM2.5值傳送W5100的網(wǎng)關(guān)http：//192.168.1.177/，利用C#抓取http：//192.168.1.177/網(wǎng)頁中的內(nèi)容，分解得到PM2.5值并存入數(shù)組和數(shù)據(jù)庫，利用C#，AJAX，JSON，ECharts，JQuery技術(shù)將PM2.5值以折線的形式顯示在網(wǎng)頁中，可以顯示不同時段、不同間隔的PM2.5值，當檢測到的PM2.5值超過警戒值時，在網(wǎng)絡端會發(fā)郵件給環(huán)境管理人員[7]?？梢越y(tǒng)計每一周、每個月環(huán)境處于各個等級的天數(shù)，以表格中不同字體顏色和折線兩種方式反映PM2.5的情況。

5 程序運行情況

圖1是下位機的運行情況圖，當PM2.5正常的時候出現(xiàn)笑臉，并且顯示PM2.5的值。當檢測到的PM2.5值超過警戒值時，在下位機上蜂鳴器會發(fā)聲，同時在液晶屏上出現(xiàn)哭臉。

[參考文獻]

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[5]張文龍，徐蔭濃.微計算機檢測系統(tǒng)中提高分辨能力的一種方法及其應用[J].微計算機應用，1988（5）：33-35.

[6]南江萍.一種甲醛檢測系統(tǒng)的設(shè)計[J].無線互聯(lián)科技，2016（23）：47-48.

[7]鄭娛，鮑楠，徐禮勝，等.跌倒檢測系統(tǒng)的研究進展[J].中國醫(yī)學物理學雜志，2014（4）：5071-5076.