基于物聯(lián)網(wǎng)的霧霾監(jiān)測儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

譚舒丹 王夢(mèng)嬌 劉玉林 楊靖

摘要：近年來，城市空氣污染加劇，為了能夠及時(shí)的監(jiān)測空氣質(zhì)量指數(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的霧霾監(jiān)測系統(tǒng)。日常霧霾天氣大多數(shù)都是由空氣中的細(xì)顆粒物PM2.5導(dǎo)致的，故該系統(tǒng)設(shè)計(jì)是將粉塵（PM2.5）傳感器采集到的信息傳送到單片機(jī)STC89C51，若處理后的數(shù)據(jù)高于設(shè)置的PM2.5報(bào)警值則觸發(fā)聲光報(bào)警。經(jīng)測試，該系統(tǒng)價(jià)格便宜、體積小巧便于攜帶，能夠滿足絕大多數(shù)家庭的環(huán)境監(jiān)測使用。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);PM2.5;粉塵傳感器;單片機(jī)

引言

近年來，隨著科技的不斷發(fā)展，人們的生活水平得到了很大的提高，工業(yè)產(chǎn)品也越來越多的出現(xiàn)在人們的生活中，在使用這些工業(yè)產(chǎn)品的過程中也同時(shí)制造了很多的空氣污染。比如工廠排放的工業(yè)廢氣，汽車排放的尾氣，還有燃燒產(chǎn)生的煙霧等等。目前，市場上空氣質(zhì)量量化檢測通常都是采用 PM2.5 指標(biāo)來衡量，通過一系列監(jiān)測器來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)檢測、顯示和記錄。但一些專業(yè)的監(jiān)測設(shè)備，體積普遍偏大且價(jià)格昂貴，不同廠家的檢測設(shè)備測試數(shù)據(jù)偏差也較大，并不適合廣大市民購買和使用。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，已經(jīng)在很多領(lǐng)域進(jìn)行了應(yīng)用，如各類打卡系統(tǒng)，門禁管理，智能交通，物流系統(tǒng)等。本設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在顯示屏上顯示當(dāng)前的PM2.5監(jiān)測濃度值，并采用藍(lán)牙模塊連接上位機(jī)，在上位機(jī)上實(shí)時(shí)的顯示監(jiān)測的濃度值。通過這些直觀的監(jiān)測數(shù)據(jù)，讓人們更清楚的了解到，現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展對(duì)空氣的污染程度，從而意識(shí)到保護(hù)大氣保護(hù)環(huán)境的重要性。

1.系統(tǒng)硬件組成

該監(jiān)測儀系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，本套系統(tǒng)旨在采集室內(nèi)或其他非高精度要求的環(huán)境濃度信息，系統(tǒng)的信息都來源于傳感器采集的數(shù)據(jù)，整個(gè)系統(tǒng)由STC89C51為主控制器，配以電源模塊、傳感器模塊、聲光報(bào)警模塊、顯示模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊和藍(lán)牙傳輸模塊這等幾大模塊組成。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣中PM2.5濃度的監(jiān)測、顯示和報(bào)警。

1.1 主控制模塊：控制器采用的是單片機(jī)STC89C51，工作電壓

3.8V-5.5V，是一種低功耗，高性能CMOS8位微處理器，與傳統(tǒng)8051單片機(jī)指令和引腳完全兼容。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C51在眾多嵌入式控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

1.2 傳感器模塊：此系統(tǒng)中使用的是粉塵（PM2.5）傳感器，型號(hào)為 GP2Y1010AU0F，是一款光學(xué)空氣質(zhì)量傳感器，用來感受空氣中的塵埃粒子，其內(nèi)部有一個(gè)紅外發(fā)光二極管和光電晶體管，對(duì)角布置成允許其檢測在空氣中的灰塵反射光。故在檢測非常細(xì)的顆粒，如香煙煙霧，都是很有效的，并且廣泛應(yīng)用于空氣清新劑、換氣空調(diào)等產(chǎn)品中。具有非常低的電流消耗（最大20mA，典型值11mA），靈敏度為0.5V/（0.1mg/m3），工作溫度為-10～65。該傳感器的輸出為模擬電壓，其值與粉塵濃度成正比。

1.3 顯示模塊：采用的是LCD1602液晶顯示屏，是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊。顯示的內(nèi)容為16X2，即可以顯示兩行，每行16個(gè)字符。工作電壓為3.3V-5V，對(duì)比度可調(diào)。具有微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的優(yōu)點(diǎn)，通常應(yīng)用在袖珍式儀表和低功耗系統(tǒng)中。

1.4 A/D轉(zhuǎn)換模塊：此模塊選用型號(hào)為ADC0832，是一種8位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片，可以適應(yīng)一般模擬量轉(zhuǎn)換要求，轉(zhuǎn)換速度較高僅為32us。由于它體積小、兼容性強(qiáng)、性價(jià)比高而深受單片機(jī)愛好者及企業(yè)歡迎，目前已經(jīng)有很高的普及率，適用于各種便攜式智能儀表。

1.5 藍(lán)牙傳輸模塊：此系統(tǒng)中選用的藍(lán)牙模塊是HC-05，供電電壓：3.3V-6V，參考距離為10m，可基本滿足普通家庭使用。可連接到微控制器的串行端口，允許微控制器通過此模塊與其他設(shè)備通信。啟動(dòng)模塊后，任何藍(lán)牙設(shè)備都可以發(fā)現(xiàn)它，此裝置中我們采用的是智能手機(jī)與它連接。

1.6 電源模塊：考慮到便于攜帶和供電方便，電源部分我們選用USB數(shù)據(jù)線進(jìn)行供電。外出攜帶時(shí)可用充電寶充當(dāng)移動(dòng)電源，以滿足各種使用情況下的供電需求。

2.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序流程圖如圖2所示，單片機(jī)STC89C51作為整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部分，主要是采集和處理數(shù)據(jù)信息，這之間還需要A/D轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳送給單片機(jī)，單片機(jī)處理得到最終的檢測數(shù)據(jù)后，會(huì)將其顯示在LCD液晶屏上，若最終傳送過來的數(shù)據(jù)超出了設(shè)定的警報(bào)值，蜂鳴器和發(fā)光二極管就會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警。警報(bào)值可以通過電路中設(shè)計(jì)的三個(gè)按鍵進(jìn)行修改，按下第一個(gè)按鍵就可啟動(dòng)設(shè)置模式，按下第二個(gè)和第三個(gè)按鍵就可進(jìn)行警報(bào)值的加減，設(shè)置好數(shù)據(jù)后，再按一次第一個(gè)按鍵就可退出設(shè)置模式（實(shí)物圖如圖3所示）。

結(jié)語

該監(jiān)測儀成本低廉、便于攜帶，適合大部分人在日常生活中使用。該裝置采用了技術(shù)成熟的STC89C51單片機(jī)作為控制模塊，而顯示屏、藍(lán)牙模塊和聲光報(bào)警模塊都能直觀的反映周圍的空氣情況，從而使人們重視空氣污染，這對(duì)環(huán)境保護(hù)起到了一定的作用。

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基金項(xiàng)目：

大學(xué)生SRT項(xiàng)目，貴大SRT字（2017）028號(hào)，自動(dòng)化專業(yè)卓越工程師計(jì)劃（ZYS2015004）;貴州省工業(yè)攻關(guān)項(xiàng)目（黔科合支撐[2019]2152）;物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)案例庫（KCALK201708）。