基于樹莓派和C++ Builder的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

陳少博 卞宇皓 陳酉杰 廖俊杰 宋志強

摘要：為了實現(xiàn)更加快速、高效的空氣質(zhì)量監(jiān)測，采用M702七合一空氣質(zhì)量檢測模塊和ATK-LORA-01LoRa無線傳輸模塊，設(shè)計了一套基于樹莓派和C++ Builder的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。在PC端下達指令，即可使樹莓派控制傳感器實時采集數(shù)據(jù)，再經(jīng)由無線傳輸模塊傳輸?shù)絇C端，最后通過C++ Builder開發(fā)軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化與儲存。開發(fā)的系統(tǒng)可與無人機等硬件結(jié)合實現(xiàn)遠程監(jiān)測，彌補了基站監(jiān)測無法進入高危環(huán)境內(nèi)部監(jiān)測的缺陷，有較高的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：空氣質(zhì)量監(jiān)測;樹莓派;無線數(shù)據(jù)傳輸;C++ Builder

中圖分類號：TP273 ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）13-0113-03

1 引言

近些年，各種天氣、環(huán)境災害頻發(fā)不斷，人們的生存環(huán)境每況愈下。這一系列的環(huán)境污染會直接影響人們的日常生活與身體健康[1]，最為直觀的就是霧霾現(xiàn)象和呼吸性疾病的增長情況。而近些年導致環(huán)境惡化的因素主要是隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，工業(yè)自動化程度的提高，重工業(yè)的不斷發(fā)展，各種機械設(shè)備的運作和大街上日益增多的汽車。這些機械的運作無時無刻不在燃燒著汽油和煤炭，向空氣中釋放著大量的氮氧化物、硫化物等污染氣體。

環(huán)境的持續(xù)惡化，時刻提醒人們正面臨嚴重的空氣污染問題[2]，環(huán)境治理刻不容緩。而對環(huán)境的實時監(jiān)測在環(huán)境的治理中是重中之重的，目前國內(nèi)所使用的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)是基于基站的大型監(jiān)測系統(tǒng)，也叫作空氣站?？諝庹驹谝恍┉h(huán)保重點城市會根據(jù)城市區(qū)域建設(shè)若干個來保證對城市已建區(qū)域的覆蓋，以此達到對整座城市的空氣質(zhì)量監(jiān)測。但空氣站占用面積較大，又是固定的站點無法移動，所以檢測到的數(shù)據(jù)精確度不高，會與實際空氣質(zhì)量有一定誤差。并且，目前空氣站沒有做到全國覆蓋，對于一些突發(fā)的自然環(huán)境災害和緊急污染事件就無法及時地做出數(shù)據(jù)監(jiān)測，導致政府無法做到高效、正確地解決問題?？諝庹镜慕ㄔ斐杀景嘿F，開發(fā)難度較高，維修成本不菲，因此也無法投入民用，已經(jīng)不能滿足當前環(huán)境監(jiān)測的需求。

本文基于樹莓派和C++ Builder開發(fā)了一套空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，在樹莓派端實現(xiàn)了自主數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)無線傳輸，PC端由無線傳輸模塊接收數(shù)據(jù)后，通過C++ Builder軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示與存儲。樹莓派便于攜帶與開發(fā)簡單，彌補了傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)的不足。

2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能

空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)主要由樹莓派、空氣質(zhì)量檢測模塊、無線傳輸模塊、PC機四部分組成，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在本套系統(tǒng)中，樹莓派是整個系統(tǒng)的核心，當PC端對樹莓派發(fā)送開始監(jiān)測的指令時，首先由樹莓派控制M702七合一空氣質(zhì)量檢測模塊對空氣中的各種成分進行數(shù)據(jù)采集并通過串口將采集到的數(shù)據(jù)傳遞給樹莓派，再通過無線傳輸模塊將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至PC端。PC端會基于C++ Builder軟件根據(jù)空氣質(zhì)量監(jiān)測模塊的通信協(xié)議進行軟件設(shè)計，將檢測到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)單位的十進制數(shù)，并且將其實時顯示以達到空氣質(zhì)量的監(jiān)測作用。

本系統(tǒng)中使用的無線傳輸模塊是基于天線的無線串口模塊，只需將兩個模塊的參數(shù)設(shè)置一樣，通過杜邦線和USB轉(zhuǎn)接線分別連接樹莓派和PC端即可進行數(shù)據(jù)的無線傳輸。

在PC端所設(shè)計的空氣質(zhì)量監(jiān)測軟件，除了可以將監(jiān)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為對應(yīng)單位的十進制數(shù)據(jù)和實時顯示數(shù)據(jù)之外，還具有將數(shù)據(jù)存儲進數(shù)據(jù)庫、導出數(shù)據(jù)和以報表形式查看等輔助功能。本系統(tǒng)后期還可將樹莓派與無人機、遙控汽車等遠程遙控設(shè)備相結(jié)合，操作人員可實現(xiàn)任何設(shè)定環(huán)境的遠程實時空氣質(zhì)量監(jiān)測，彌補了傳統(tǒng)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的不足。

3 系統(tǒng)硬件開發(fā)

3.1樹莓派開發(fā)環(huán)境搭建

本次系統(tǒng)開發(fā)選擇的是2019年最新發(fā)布的樹莓派4B，樹莓派4B開發(fā)板主要部件有CPU、內(nèi)存芯片、USB、電源、千兆以太網(wǎng)口等，具有良好的運算與處理能力[3]。樹莓派4B的CPU搭載1.5GHz，四核BroadcomBCM2711處理器，并且高達4GB RAM。此外，樹莓派4B還提供了豐富的對外接口，包括兩個USB2.0接口、兩個USB3.0接口和40個針通用I/O接口等。

作為本次系統(tǒng)的核心部件樹莓派，要對其進行開發(fā)環(huán)境的搭建才可以完成與空氣質(zhì)量檢測模塊、無線傳輸模塊的應(yīng)用。將準備好的SD讀卡器插入計算機。使用SDFormatterSD格式化工具將SD卡進行格式化[4]。到官方網(wǎng)站下載操作系統(tǒng)，選擇Raspbian Buster with desktop，點擊Download ZIP，然后解壓縮下載的安裝包，得到a.img文件。接下來，使用Win32DiskImager硬盤鏡像軟件將下載的img文件寫入SD卡。在映像文件選擇之前解壓得到的.img文件，選擇SD卡驅(qū)動器盤符，單擊“寫入”，等待寫入完成，關(guān)閉程序，此時SD卡已加載Raspbian操作系統(tǒng)，樹莓派4B的開發(fā)環(huán)境就已經(jīng)搭建完畢。

3.2 M702七合一空氣質(zhì)量檢測模塊

M702七合一傳感器模塊是一款性價比較高的數(shù)字串口輸出傳感器模塊，采用UART串口電平輸出模式（UART接口定義如表1所示），可對CO2、甲醛、TVOC、激光粉塵PM2.5、PM10顆粒物、溫度、濕度共七種物質(zhì)進行檢測。該模塊可對所處環(huán)境進行實時綜合檢測，具有較好的穩(wěn)定性，非常方便使用。該款檢測模塊還具有較高的精確度，其中溫度可以精確到0.1度，濕度可以精確到0.1%，并且它還可以每兩秒通過UART信號輸出七組傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)，其UART接口定義如表1所示。

模塊與上位機連接的主通信口，采用了標準串行RS-485通信口。信息傳輸方式為異步，起始位為1位，數(shù)據(jù)位為8位，停止位為1位，無校驗，數(shù)據(jù)傳輸缺省速率為9600b/s。

M702七合一空氣質(zhì)量檢測模塊的通信協(xié)議如表2所示。

由通信協(xié)議可知，校驗和B17等于：B1+B2+…+B16的值，取低8位。當溫度對應(yīng)數(shù)據(jù)B13的bit7=1 時，代表溫度為負，當B13的bit7=0 時，代表溫度為正。

3.3 ATK-LORA-01無線串口模塊

ATK-LORA-01是ALIENTEK推出的一款遠距離LORA無線串口模塊，具有小體積、微功率、功耗低、性能高等優(yōu)點[5]。該模塊采用高效ISM的頻段射頻SX1278擴頻芯片[6]。模塊的工作頻率范圍從410Mhz到441Mhz[7]，并且模塊以1Mhz頻率作為步進通道，共有32個通道。模塊還可以通過AT指令在線改變發(fā)射功率、串口速率、空中速率、工作模式等各種參數(shù)，且支持固件升級功能。該模塊基于SMA天線，最高通信距離約達3000米且該模塊的通信接口包括UART串口，8N1、8E1、8O1，從1200-115200共8種波特率。該模塊通過1*6的排針同外部連接，模塊連接如圖2所示，樹莓派開發(fā)板可通過杜邦線直接與模塊對接，對模塊進行測試。

該模塊在使用時會根據(jù)MD0的配置與AUX引腳的狀態(tài)進入不同的功能，本系統(tǒng)只用到其中的配置功能和通信功能，其他的暫不做闡述。當模塊上電后，AUX進入空閑狀態(tài)即AUX=0，若MD0=1則模塊進入配置功能。此時可通過官方提供的ATK-LORA配置軟件對模塊進行配置，只需將兩個模塊的地址、信道和無線速率（非串口波特率）等一系列參數(shù)配置相同，保存配置即可。當MD0=0時，模塊就進入了通信功能，此時只需將兩個配置相同的模塊分別連接樹莓派和PC端，在傳輸方式選項中選擇透明傳輸，即可進行通訊。并且在透明模式下兩個模塊都可以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，也可以將多個模塊配置為相同參數(shù)進行點對多的無線數(shù)據(jù)傳輸，其工作示意圖如圖3所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1樹莓派數(shù)據(jù)傳輸軟件設(shè)計

本項目中使用的M702七合一傳感器模塊采用UART串口電平輸出模式，與樹莓派上GPIO口連接即可進行通訊，因此應(yīng)該首先在樹莓派上配置UART串口。

樹莓派4B擁有多組串口可以使用，各GPIO默認配置不同。在本項目中，需要樹莓派連接M702傳感器模塊與LoRa模塊，因此需要配置兩組UART串口。默認配置的UART串口為GPIO14與GPIO15，這兩個串口默認承擔藍牙功能，因此不使用，而是更改GPIO0、1、4、5四個串口的配置，將它們配置為兩組UART串口，供溫度監(jiān)測模塊和LoRa模塊使用。

然后根據(jù)M702傳感器模塊和LoRa模塊內(nèi)置的通訊協(xié)議編寫傳輸程序。當樹莓派向傳感器發(fā)送固定編碼后，傳感器會以平均兩秒一次向樹莓派發(fā)送數(shù)據(jù)。在樹莓派上，可通過Python中的serial庫函數(shù)來配置UART串口參數(shù)并每兩秒進行一次發(fā)送、接收數(shù)據(jù)即可。同時還可以在同一個程序中同時控制兩組UART串口收發(fā)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)直接將數(shù)據(jù)不保存到本地通過LoRa模塊傳輸?shù)接脩舳恕＼浖O(shè)計框架如圖4所示。

4.2數(shù)據(jù)顯示軟件設(shè)計

C++ Builder是一款基于VCL庫的可視化開發(fā)工具，集數(shù)據(jù)采集和顯示為一體[8]，在數(shù)據(jù)庫設(shè)計和基礎(chǔ)系統(tǒng)開發(fā)等方面表現(xiàn)出極其優(yōu)異的性能。它還提供了一套可視化開發(fā)工具，如可視化窗口設(shè)計器、控制面板和集成編輯器等。只需要簡單地把控件（Component）托到窗體（Form）上，定義它的屬性，設(shè)置外觀就可以快速地建立應(yīng)用程序界面。

本次系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示界面便是基于C++ Builder軟件進行開發(fā)。主要分為四個界面，界面一是軟件的主界面，如圖5所示。該界面包括數(shù)據(jù)顯示界面和其他功能按鈕，可以讓操作人員實時查看傳感器采集的數(shù)據(jù)。界面二為報表界面，點擊界面一中的報表預覽按鈕即可自動跳轉(zhuǎn)至該界面，主要功能為將通過LoRa模塊傳輸過來的數(shù)據(jù)以報表的形式展現(xiàn)。界面三是數(shù)據(jù)刪除界面，可以刪除數(shù)據(jù)庫中的冗余數(shù)據(jù)，實時更新數(shù)據(jù)。界面四是數(shù)據(jù)搜索界面，用戶可以根據(jù)開始時間和結(jié)束時間搜索相應(yīng)時間段的數(shù)據(jù)。

該軟件可以通過串口與LoRa模塊連接，當有數(shù)據(jù)通過LoRa模塊傳輸過來時，該軟件會先對收到的數(shù)據(jù)進行判斷，若數(shù)據(jù)正確則自動將數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_，根據(jù)M702傳感器的通信協(xié)議將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)據(jù)，然后將十進制數(shù)據(jù)在界面一的數(shù)據(jù)顯示界面進行顯示，并且自動將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫。

5 結(jié)束語

本文開發(fā)的基于樹莓派和C++ Builder的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)體積小、精確度高、開發(fā)難度低、開發(fā)成本低，充分利用了樹莓派小巧便捷與開發(fā)性高的強大功能，大幅度降低了空氣監(jiān)測的成本，并且功能擴展性強，通過樹莓派豐富的接口，后面還可以與其他硬件結(jié)合，實現(xiàn)更加優(yōu)良的功能與應(yīng)用。

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】