基于ESP8266的粉塵監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)策略

徐宇帆，楊宇昊，趙博，薛世雨，楊雨橋

（成都信息工程大學(xué)電子工程學(xué)院，四川 成都 610000）

近幾年，我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展近乎突飛猛進(jìn)，且部分地區(qū)受到霧霾等不良天氣的影響十分明顯，因此，加快速度建立能夠覆蓋全國(guó)的粉塵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)屬于迫在眉睫的必要工作。若要將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和氣象監(jiān)測(cè)工作相互結(jié)合，能夠更加有利于民間霧霾監(jiān)測(cè)能力的提升。同時(shí)，還能在原本的工作系統(tǒng)中加入功能更加豐富的節(jié)點(diǎn)，將城市大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的價(jià)值和工作效率實(shí)現(xiàn)最大化提升。但是，加上系統(tǒng)直接和互聯(lián)網(wǎng)相互連接的成本投入比較高，且網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)本身也不適合接入單個(gè)設(shè)備，因此，在ESP8266基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)儀屬于最佳選擇。這樣的工作方式不僅不會(huì)產(chǎn)生浪費(fèi)，且成本控制也比較方便，發(fā)展前景良好。

1 粉塵監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)原理

傳統(tǒng)的粉塵監(jiān)測(cè)儀工作原理基本都是光學(xué)方法，主要可以劃分為兩種類型，一種是紅外粉塵監(jiān)測(cè)儀，另一種則是激光粉塵監(jiān)測(cè)儀。其中的紅外粉塵監(jiān)測(cè)儀用的是比較節(jié)約能源的LED光源，空氣進(jìn)出設(shè)備依靠的就是內(nèi)置加熱器，其加熱引起氣流上升，最終產(chǎn)生空氣流動(dòng)的效果。若有顆粒物質(zhì)經(jīng)過(guò)風(fēng)道，則設(shè)備中的光敏零件就能夠監(jiān)測(cè)并換算出空氣中的顆粒濃度。這種設(shè)備的優(yōu)勢(shì)在于成本低，但也有明顯的缺陷，就是其能夠監(jiān)測(cè)到的最小粉塵顆粒僅能達(dá)到1μm，檢測(cè)的精確度比較低。而激光粉塵監(jiān)測(cè)設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電路和上一種相比更加復(fù)雜，其光源也改換成為激光二極管，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 激光粉塵監(jiān)測(cè)儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)

在空氣中的粉塵進(jìn)入激光監(jiān)測(cè)區(qū)域后，激光就會(huì)在空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)360°散射，其能夠監(jiān)測(cè)到的最小粉塵顆粒為0.3μm，風(fēng)道的設(shè)計(jì)也是迷宮式，因此，監(jiān)測(cè)工作落實(shí)不會(huì)受到自然光的干擾。且該設(shè)備不需要預(yù)熱，開機(jī)后就能直接開始落實(shí)工作，在性能方面的優(yōu)勢(shì)十分明顯。但需要注意的是，此種設(shè)備成本比較高，在常規(guī)工作狀態(tài)中就會(huì)產(chǎn)生很大的功耗。近幾年，優(yōu)化后的激光粉塵監(jiān)測(cè)設(shè)備已經(jīng)開發(fā)出了休眠模式，能夠有效改善其功耗高的問(wèn)題，同時(shí)，隨著技術(shù)水平提高，該設(shè)備的造價(jià)也逐漸降低，激光粉塵監(jiān)測(cè)設(shè)備替代紅外粉塵監(jiān)測(cè)設(shè)備已經(jīng)成為必然發(fā)展趨勢(shì)。

具體設(shè)計(jì)可以某監(jiān)測(cè)儀為主，設(shè)備的功能如圖2所示。

圖2 某粉塵監(jiān)測(cè)儀的功能

該設(shè)備的主控模塊是ESP8266-201，負(fù)責(zé)的工資就是鍵盤、傳感器以及顯示屏等環(huán)節(jié)的控制，利用無(wú)線路由器與服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)通信。ESP8266屬于一種比較完善的智能互聯(lián)模塊，自身具有完整且獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)解決方案，與當(dāng)下市場(chǎng)上常見(jiàn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之間契合程度也比較高。ESP8266本身的優(yōu)勢(shì)除了成本低外，還有內(nèi)置資源豐富以及使用方式多樣化等幾種，一方面，能夠作為主控芯片實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的運(yùn)行；另一方面，也具有通信功能。在保障主控芯片順利地與互聯(lián)網(wǎng)相互連接外，ESP8266中還具備高精度接口，用戶只需要在開發(fā)工具包中展開芯片編程工作，即可在設(shè)備內(nèi)置功能單元的輔助下實(shí)現(xiàn)對(duì)外部電路的控制。

例如，某企業(yè)及開發(fā)的激光粉塵監(jiān)測(cè)設(shè)備，此種設(shè)備能夠使用UART接口和ESP8266-201模塊實(shí)現(xiàn)通信，同時(shí)，還能全天候地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空氣中的PM2.5以及PM10含量，再通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信接口就能夠?qū)?shù)據(jù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)上傳到服務(wù)器端口當(dāng)中。設(shè)備本身每隔一段時(shí)間就會(huì)喚醒一次，這是為了方便落實(shí)數(shù)據(jù)采集工作，且在采集的同時(shí)其還能夠直接將找到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器內(nèi)，結(jié)束上述工作后，該設(shè)備就會(huì)繼續(xù)進(jìn)入低耗能模式。

若監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)的數(shù)據(jù)比國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)高，則高設(shè)備就會(huì)啟動(dòng)背光屏，并提醒用戶，若用戶選擇了ESP8266喚醒傳感器，設(shè)備就會(huì)進(jìn)入連續(xù)采集和測(cè)量讀數(shù)的階段。并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在LCD屏幕上，方便用戶隨時(shí)獲取信息，這項(xiàng)功能會(huì)在喚醒的5min后重新進(jìn)入低耗能模式，并等待時(shí)間正常進(jìn)入下一輪的監(jiān)測(cè)工作。

此種設(shè)備的電路中，ESP8266模塊屬于設(shè)備的主控模塊，經(jīng)過(guò)正確的編程能夠定期喚醒設(shè)備并落實(shí)粉塵濃度檢測(cè)工作。且這種設(shè)備中的電路全部是以并聯(lián)的方式連接，這樣即便其中一個(gè)模塊產(chǎn)生了故障，也不會(huì)影響設(shè)備中其他模塊的工作效果。

2 軟件設(shè)計(jì)

某基于ESP8266的粉塵監(jiān)測(cè)儀開發(fā)包是Non-OS SDK，這種開發(fā)包不基于操作系統(tǒng)，需要根據(jù)設(shè)備的定時(shí)器以及回調(diào)函數(shù)等，對(duì)整個(gè)監(jiān)測(cè)工作效果僅相應(yīng)。若條件允許，該設(shè)備還會(huì)觸發(fā)特定的功能函數(shù)目的，在監(jiān)測(cè)設(shè)備開始工作后，開發(fā)包的程序就能夠?qū)崿F(xiàn)初始化，并調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)展開用戶自動(dòng)以功能初始化工作。該設(shè)備的主要任務(wù)就是建立定時(shí)器并合理綁定定時(shí)器的回調(diào)函數(shù)，配置好按鍵端口并綁定回調(diào)函數(shù)后，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)單元也就能夠?qū)崿F(xiàn)初始化的目的，若在設(shè)備周邊，即就能夠通過(guò)熱點(diǎn)自動(dòng)連接。若是短按按鍵，則可以將設(shè)備喚醒并展開相應(yīng)的測(cè)量工作，喚醒好屏幕以及設(shè)備本身后，工作人員就要做好狀態(tài)標(biāo)志位的工作，保障設(shè)備回調(diào)函數(shù)以及定時(shí)等工作細(xì)節(jié)嚴(yán)格符合標(biāo)準(zhǔn)。需要注意的是，該技術(shù)更適合設(shè)備屏幕菜單簡(jiǎn)潔的終端設(shè)備，用戶即便不經(jīng)常按鍵操作設(shè)備，其本身也能夠通過(guò)無(wú)線網(wǎng)連接功能和密碼實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)目的。

在通過(guò)初始化函數(shù)對(duì)定時(shí)器展開初始化工作的階段，設(shè)備每1s都會(huì)觸發(fā)一次定位器中斷效果，同時(shí)，設(shè)備程序也會(huì)跳轉(zhuǎn)到定時(shí)器展開回調(diào)函數(shù)相關(guān)的工作。這種函數(shù)除了可以將收集的數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器中，還能夠?qū)⒓磿r(shí)測(cè)量模式的數(shù)據(jù)通過(guò)更新的方式突出即時(shí)測(cè)試環(huán)節(jié)。

在設(shè)備本身計(jì)時(shí)時(shí)間＞5min時(shí)，可以對(duì)其無(wú)線網(wǎng)連接情況進(jìn)行檢查，并喚醒設(shè)備讀取數(shù)據(jù)，最終促使設(shè)備和服務(wù)器之間建立TCP連接并將數(shù)據(jù)資料上傳。若此時(shí)得到的數(shù)據(jù)＞國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，則需要將設(shè)備的屏幕以及背光打開提示用戶。若粉塵監(jiān)測(cè)儀處于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的工作模式中，技術(shù)人員就要判斷即時(shí)測(cè)量模式的終止時(shí)間是否能夠促使設(shè)備外圍硬件關(guān)閉，同時(shí)，退出當(dāng)前模式。在此階段，若用戶沒(méi)有在即時(shí)設(shè)備的檢測(cè)模式終止之前讀取粉塵監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，則讀數(shù)就會(huì)直接更新。

3 設(shè)備測(cè)試

基于ESP8266的粉塵監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)整機(jī)測(cè)試工作的落實(shí)，可以某設(shè)備為例，該設(shè)備能夠使用樂(lè)聯(lián)網(wǎng)的免費(fèi)用戶接口創(chuàng)建工作。同時(shí)，根據(jù)TCP通信接口通信協(xié)議以及服務(wù)器本身達(dá)到上傳數(shù)據(jù)和協(xié)議內(nèi)容的目的，技術(shù)人員先將檢測(cè)的數(shù)據(jù)整合成為數(shù)據(jù)包，并設(shè)定時(shí)間要求其按時(shí)發(fā)送到服務(wù)器中，其優(yōu)勢(shì)和便捷之處在于，能夠直接形成氣象地圖，十分方便對(duì)環(huán)境中粉塵濃度進(jìn)行掌握和了解。且這樣的工作方式與大數(shù)據(jù)技術(shù)相互配合也能達(dá)到更好的工作效果，技術(shù)人員對(duì)案例中的設(shè)備分別展開了溫度、老化以及跌落振動(dòng)的試驗(yàn)，最終結(jié)果表明，設(shè)備能夠在正常測(cè)量和上傳數(shù)據(jù)帶服務(wù)器中的同時(shí)，保持每5min采集一次數(shù)據(jù)的頻率，還能夠直接將采集的每組數(shù)據(jù)整理成為空氣中粉塵濃度變化的趨勢(shì)圖。

這種趨勢(shì)圖的橫軸代表時(shí)間，縱軸顯示的是粉塵濃度，數(shù)據(jù)單位為μg/m3。經(jīng)過(guò)分析，該技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)在當(dāng)?shù)氐拿刻?～6時(shí)，城市中的大部分生產(chǎn)活動(dòng)處于休整狀態(tài)，因此，粉塵濃度不高。6～12時(shí)，城市生產(chǎn)活動(dòng)逐漸增加，也就帶動(dòng)了空氣中的粉塵濃度提升，直到18時(shí)，該粉塵監(jiān)測(cè)儀設(shè)置在廚房附近，因此，受到油煙的影響，檢測(cè)到的數(shù)據(jù)加速提升，一段時(shí)間后又恢復(fù)了正常水平。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，基于ESP8266的粉塵監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)更適合將設(shè)備產(chǎn)品化生產(chǎn)，且相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，這種設(shè)備能夠十分穩(wěn)定的對(duì)環(huán)境中的粉塵濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。不僅如此，其在多種環(huán)境中的適用程度都很高，除了居家之外，在辦公環(huán)境等有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋的區(qū)域應(yīng)用效果都很好，市場(chǎng)價(jià)值十分明顯。