基于3D打印與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)PM2.5監(jiān)測(cè)裝置的研究

吳亮 王澤國(guó) 邵鴻銘

摘 要：PM2.5濃度作為衡量大氣污染的指標(biāo)之一，值得我們時(shí)刻關(guān)注。文章設(shè)計(jì)了一種PM2.5濃度檢測(cè)裝置，利用激光散射來采集數(shù)據(jù)，通過WiFi模塊傳送到服務(wù)器，將采集結(jié)果呈現(xiàn)給用戶，來指引市民的出行規(guī)劃。

關(guān)鍵詞：STM32；PM2.5；3D打??；光散射法

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本文介紹了一種PM2.5實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置，配合3D打印技術(shù)，達(dá)到了使用戶方便地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)遠(yuǎn)程局部空氣的污染情況，并且實(shí)現(xiàn)裝置外觀的可定制化。以通達(dá)學(xué)院作為測(cè)試場(chǎng)地，使用灰塵傳感器采集數(shù)據(jù)，通過ESP8266芯片發(fā)送數(shù)據(jù)到服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)液晶屏上和遠(yuǎn)程網(wǎng)頁端的實(shí)時(shí)顯示。整體框架如圖1所示[1]。

感知層，將組裝好的樣機(jī)布置在人員較為密集的區(qū)域，例如食堂、操場(chǎng)、宿舍、教室、實(shí)驗(yàn)室等區(qū)域。通過對(duì)這些區(qū)域的數(shù)據(jù)采集，對(duì)學(xué)校的空氣質(zhì)量情況做出整體評(píng)估。

網(wǎng)絡(luò)層，將收集到的數(shù)據(jù)處理后存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，傳輸協(xié)議采取TCP/IP協(xié)議[2]。

應(yīng)用層，在數(shù)據(jù)被處理并存入數(shù)據(jù)庫之后，將由網(wǎng)頁端和遠(yuǎn)程顯示端進(jìn)行請(qǐng)求，最終顯示出來。本設(shè)計(jì)采用MySQL數(shù)據(jù)庫，在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)考慮到數(shù)據(jù)數(shù)目的龐大，通過優(yōu)化SQL語句以及表結(jié)構(gòu)極大的加快了查詢速度。考慮到實(shí)際情況，對(duì)網(wǎng)頁進(jìn)行了兼容性的優(yōu)化，在IE8以后的版本上正常顯示，同時(shí)在用戶訪問時(shí)，通過AJAX技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的異步刷新，增強(qiáng)用戶體驗(yàn)。通過架設(shè)Web服務(wù)器，可以將空氣質(zhì)量情況實(shí)時(shí)的顯示在頁面上。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)顯示在液晶顯示屏和遠(yuǎn)程端口上為目的，系統(tǒng)硬件主要以3個(gè)部分構(gòu)成。系統(tǒng)以STM32F103為核心，利用其性價(jià)比高，拓展性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，搭建一個(gè)嵌入式的平臺(tái)。

2.1 數(shù)據(jù)采集單元

采集區(qū)域內(nèi)的PM2.5濃度，并輸出數(shù)字信號(hào)。本系統(tǒng)使用SDS011灰塵傳感器，通過激光散射原理實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)測(cè)量[3]。傳感器通過發(fā)送數(shù)據(jù)幀（10字節(jié)），數(shù)據(jù)幀包括報(bào)文頭+指令號(hào)+數(shù)據(jù)（6字節(jié)）+校驗(yàn)和+報(bào)文尾，PM2.5數(shù)據(jù)最終由數(shù)據(jù)部分的第一字節(jié)和第二字節(jié)組成（PM2.5（μg/m3）=（（第一字節(jié)×256）+第二字節(jié)/10）。傳感器還配有風(fēng)扇，保證空氣流動(dòng)，增強(qiáng)采樣精度。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸與顯示單元

本單元實(shí)現(xiàn)了將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)由WiFi模塊發(fā)送至服務(wù)器端并將MCU收集到的數(shù)據(jù)展示在液晶屏上的功能。采用ESP8266串口WiFi模塊連接無線網(wǎng)絡(luò)[4]，通過STM32的可變靜態(tài)存儲(chǔ)控制器（Flexible Static Memory Controller，F(xiàn)SMC）外設(shè)，提高了通信效率，能夠?qū)崟r(shí)地將數(shù)據(jù)顯示出來。

2.3 3D模型設(shè)計(jì)

我們選用SolidWorks軟件設(shè)計(jì)模型[5]。在模型設(shè)計(jì)方面，可以設(shè)計(jì)不同的模型來適應(yīng)場(chǎng)地的需要，在第四大項(xiàng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中，我們給出一個(gè)設(shè)計(jì)好的模型。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本單元實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集與處理，并將結(jié)果展現(xiàn)用戶，該系統(tǒng)使用超文本預(yù)處理器（Hypertext Preprocessor，PHP）語言開發(fā)，AJAX異步刷新使得數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在網(wǎng)頁端。搭建服務(wù)器，選用MySQl數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，多個(gè)監(jiān)測(cè)裝置通過TCP協(xié)議，將信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫[6] 。功能執(zhí)行流程如圖2所示[7]。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路，開發(fā)了基于3D打印的PM2.5實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試，本系統(tǒng)的實(shí)際使用情況良好，能夠方便準(zhǔn)確地反映校園的空氣質(zhì)量情況。

圖3為液晶顯示屏截圖，能夠做到實(shí)時(shí)顯示，圖4為網(wǎng)頁端截圖，異步刷新數(shù)據(jù)，圖5為我們打印出的模型。最終，將組裝好的單片機(jī)置入模型中，于腹部開口放置顯示屏，于背部隱蔽處開口作為通風(fēng)口。

本次測(cè)試截取了2018年11月25號(hào)學(xué)生宿舍的PM2.5的歷史數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)運(yùn)用了傳感器、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及微型計(jì)算機(jī)技術(shù)，形成了一個(gè)靈活的、智能化的PM2.5監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具備多點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與統(tǒng)計(jì)、移動(dòng)終端的便捷性以及3D打印的靈活性等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)校園空氣質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過3D打印技術(shù)，大大降低系統(tǒng)的成本，克服了傳統(tǒng)終端設(shè)計(jì)造價(jià)高、復(fù)雜等缺點(diǎn)，并提供了可定制化的可能。本系統(tǒng)通過分享特定區(qū)域空氣質(zhì)量情況，利用網(wǎng)絡(luò)的便捷性，使人們更及時(shí)地獲取信息，合理地安排出行計(jì)劃。

[參考文獻(xiàn)]

[1]史姣姣，張澤勝.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的PM2.5監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].通信技術(shù)，2018（5）：1142-1147.

[2]李光明，孫英爽，黨小娟.基于安卓的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2016（2）：556-560.

[3]郭浩.激光散射法與β射線散射法測(cè)量環(huán)境空氣中顆粒物質(zhì)量濃度的差異[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2015（3）：195-197.

[4]王亞超.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的城軌列車運(yùn)行能耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].北京：北京交通大學(xué)，2015.

[5]余冬梅，方奧，張建賦.3D打印材料[J].金屬世界，2015（5）：6-13.

[6]LUKE W，LAURA T.PHP和MySQL Web開發(fā)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[7]侯琛，趙千川，馮浩然，等.一種物聯(lián)網(wǎng)智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2014（5）：96-102.