基于 WiFi 遠程檢測與傳輸 PM2.5 數(shù)值檢測儀設(shè)計

引 言

近年來，我國多省份發(fā)生霧霾天氣，北京、南京、重慶等城市霧霾污染情況尤為嚴(yán)重，持續(xù)的霧霾天氣容易造成嚴(yán)重的交通事故，并為人們的日常學(xué)習(xí)、生活帶來巨大的影響， 嚴(yán)重者甚至?xí)绊懮眢w健康 [1]。針對以上問題，目前研發(fā)的相關(guān)檢測儀器包括 HANDHELA3016IAQ空氣質(zhì)量 PM2.5 檢測儀、博華康生 PM2.5檢測儀、博朗通空氣檢測儀、漢王霾表空氣檢測儀、貝立特測試儀器、MC 妙創(chuàng)多功能空氣檢測儀等，但通過對比以上空氣檢測儀器，發(fā)現(xiàn)多數(shù)產(chǎn)品價格偏高，交互數(shù)據(jù)遠程可視化傳輸差，部分產(chǎn)品甚至需要生產(chǎn)廠商或者專業(yè)技術(shù)人員進行操作，導(dǎo)致普及性較差，無法滿足用戶需求 [2-5]。

1 總體設(shè)計

系統(tǒng)包括 MCU 處理器模塊、電源模塊、傳感器、串口藍牙模塊、ESP8266 串口 WiFi 模塊及 LCD1602 顯示屏模塊， 結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。以單片機為主控，夏普光學(xué)粉塵傳感器檢測的數(shù)據(jù)通過串口傳輸給單片機，單片機處理后經(jīng) LCD1602 顯示并通過 WiFi 將數(shù)據(jù)傳輸至手機 APP，由手機 APP 進行處理顯示。

圖 1 系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)主要包括電源座模塊、ESP8266 串口 WiFi 模塊、LCD1602 顯示屏模塊、夏普光學(xué)粉塵傳感器模塊、串口藍牙模塊，設(shè)計的儀器實物如圖 2 所示。將一個紅外發(fā)光二極管和光電晶體管通過對角布置，以檢測空氣中的灰塵反射光，從而更好地使夏普光學(xué)粉塵傳感器模塊檢測當(dāng)前環(huán)境中PM2.5 的含量，傳感器通過杜邦線與單片機相連，使單片機能夠控制顯示屏顯示當(dāng)前環(huán)境的 PM2.5 數(shù)值，同時將數(shù)值通過 ESP8266 串口 WiFi 模塊傳遞到事先設(shè)計的用戶 APP 上。

圖 2 設(shè)計實物

2.1 WiFi模塊的選取

ESP8266是 Ai-Thinker公司推出的一款無線 WiFi模塊， 可與單片機通過串口通信， 利用 WiFi傳輸數(shù)據(jù)， 并通過UART接口由 Arduino發(fā)送 AT命令控制其功能 [6]。ESP8266 有兩種工作模式，分別是 Station模式以及 AP模式，Station 模式用來連接無線路由器進行工作 ；AP模式則將 ESP8266 作為熱點由手機連接（或無線路由器）進行工作。筆者采取AP模式實現(xiàn)遠程傳輸功能。

2.2 傳感器的選取

夏普光學(xué)粉塵傳感器（GP2Y1014AU0F）檢測極細顆粒的效果較好，如香煙煙霧等，它是常用的空氣凈化器系統(tǒng)。該傳感器具有極低的電流消耗（最大 20mA），可搭載高達 DC7V的傳感器。輸出的模擬電壓正比于所測得的粉塵濃度， 敏感性為 0.5V/0.1mg/m3。

2.3 電路

設(shè)計電路分為如下兩部分 ：

(1) 用來檢測外界 PM2.5 含量值的檢測電路 ；

(2) 通過 WiFi傳輸數(shù)據(jù)給用戶并將數(shù)值顯示在數(shù)字型液晶顯示屏的顯示電路。

檢測電路主要由電源插座、傳感器、單片機構(gòu)成，如圖 3 所示。

3 軟件設(shè)計

移動客戶端的主要功能是顯示來自單片機的實時數(shù)據(jù) [7-10]。移動用戶端的 APP 可用于實現(xiàn)遠程監(jiān)測，通過手機及儀器，用戶可以采集各環(huán)境中的 PM2.5 數(shù)值而無需在場所安裝固定設(shè)備來觀察采集。手機 APP 頁面可實時顯示 PM2.5 數(shù)值的變化，使得儀器具有較高的實用價值。

客戶端基于 Android 操作系統(tǒng)實現(xiàn)，通過搭建Eclipse 軟件開發(fā)環(huán)境來實現(xiàn)用戶對系統(tǒng)的界面功能。在 Android 平臺搭建客戶端 APP，為用戶提供便捷的數(shù)據(jù)獲取途徑，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)基于 WiFi 的實時數(shù)據(jù)采集，也可以為用戶后期啟?？諝鈨艋O(shè)備提供實時依據(jù)。

4 數(shù)據(jù)采集分析

儀器通過單片機技術(shù)，結(jié)合交互數(shù)據(jù)遠程傳輸算法實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時準(zhǔn)確傳輸，將 PM2.5 濃度數(shù)據(jù)通過 WiFi 傳輸?shù)绞謾C APP。通過對前端平臺地址的設(shè)置，可以正確讀入實時的 PM2.5 檢測數(shù)值，達到實時監(jiān)測的目的，系統(tǒng)相對比較簡潔，能夠滿足用戶實時監(jiān)測的需求。采用自研儀器與市面應(yīng)用較多的博朗公司的檢測儀，分別采集了某日南京奧體監(jiān)測站點的 PM2.5 數(shù)據(jù)，見表 1 所列。

通過相關(guān)調(diào)研得到當(dāng)天南京奧體監(jiān)測站點 PM2.5 數(shù)值為49 mg/m3，自研儀器平均誤差為 2%，且在 49 mg/m3上下浮動。通過數(shù)據(jù)比對，發(fā)現(xiàn)自研儀器的測量更加準(zhǔn)確，數(shù)值波動較小，同理儀器也可在其他場所進行檢測。

5 結(jié) 語

筆者采取了一種通過以 STC89C52 單片機為控制核心、多種模塊及手機 APP 結(jié)合來實現(xiàn)遠程檢測與傳輸 PM2.5 數(shù)值功能的檢測儀器，儀器經(jīng)調(diào)試后能夠?qū)崿F(xiàn)對 PM2.5 濃度的實時檢測及數(shù)據(jù)傳輸，可靈活應(yīng)用于各個領(lǐng)域和普通家庭用戶。該儀器測量變化波動小，誤差小，比較接近實際情況， 能夠為檢測日常環(huán)境中 PM2.5 的含量提供方便。本設(shè)計具有較強的數(shù)據(jù)遠程可視化傳輸能力，制作成本低 ；監(jiān)測儀除本身帶液晶顯示外，還可將所測參數(shù)送至智能手機等移動終端， 方便對數(shù)據(jù)進行存儲、查詢，顯示方式可隨界面設(shè)計和功能設(shè)計而變化，具有多樣化、個性化等特征。