空气颗粒物智能监控系统研究与实现

张志通， 于 媛， 郭向鑫

(1.北华航天工业学院 电子与控制工程学院 河北 廊坊 065000；2.廊坊卫生职业学院 河北 廊坊 065001)



空气颗粒物智能监控系统研究与实现

张志通1， 于 媛2， 郭向鑫1

(1.北华航天工业学院 电子与控制工程学院 河北 廊坊 065000；2.廊坊卫生职业学院 河北 廊坊 065001)

雾霾天气严重影响我国交通，并对人体健康造成危害，研究在低成本内对空气质量进行有效的检测，做到提前预防，课题结合PM2.5污染颗粒物的特征提出一种太阳能式多功能空气检测方案.该方案采用智能跟踪太阳能高效发电，通过单片机对传感器采集的信号进行处理并采用显示器显示温湿度值、PM2.5数值与变化曲线，LED灯提示不同空气质量状态.系统将数据通过EM310模块远距离传送至数据处理中心，通过因特网技术实现对空气质量进行及时预警.

光学灰尘传感器； STM8S103； 远程监控； 信号处理

0 引言

随着我国经济水平的不断发展，对能源的需求越来越多，石油、煤炭等资源在使用过程中经过燃烧而排放的残留物，大多含有有毒物质从而造成空气污染.近年来雾霾天气袭扰我国北方地区，空气污染严重.雾霾天气首先影响能见度，影响道路交通；其次，霾在吸入人体呼吸道后易引发呼吸道疾患，诱发心血管疾病，严重会致死[1].如何做到节能减排和对雾霾天气的实时监控，是科研工作者关心的问题，也是关系到我国人民生活质量与生存的问题.

1 总体设计方案

由于PM2.5是雾霾组成的主要成分，本课题结合单片机与太阳能技术，针对PM2.5的特征，并根据用户需求提出一种低成本、多功能的设计方案.在太阳能电池供电的情况下，首先让空气在灰尘传感器中心洞自由流过，传感器定向发射LED光，通过检测空气中灰尘折射过后的光线来判断灰尘的含量，并将检测数据通过转换模块后与温湿度传感器检测到的信号分别输送至单片机不同端口，进行数据处理，并使用显示器实时显示温湿度值、PM2.5数值与变化曲线，通过全彩LED灯4种颜色分别指示不同空气质量状态.系统可将多个监测站点的PM2.5监测数据通过EM310模块远距离传送至数据处理中心，通过因特网技术实现对指定地区的实时预警，如图1所示.

2 硬件系统设计

2.1 太阳能供电系统设计

为了做到有效地节能减排、保护环境和对可再生能源的高效利用，使用太阳能对该系统进行供电.课题采用四象限探测器来感测当前光源信号，通过单片机处理后，根据各象限上能量分布的比例，可计算出目标的亮度中心位置.通过调整电机来控制太阳能电池板俯仰角和方位角，使太阳能电池板达到最佳位置，提高太阳能发电转换效率.太阳能跟踪发电系统如图2所示.

图1 空气颗粒物智能监控系统

图2 太阳能跟踪发电系统

2.2 传感器与信号处理电路

由于空气中颗粒物直径差别很大，根据项目设计要求，本项目测量空气中粉尘浓度采用灰尘传感器GP2Y1010AU0F.该传感器由红外线发光二极管(IRED)和一个光电管成对角布置而成尘埃的反射光[2]，具有尺寸小、重量轻、易安装等优势，能够灵敏检测直径0.8～2.5 μm以下的粒子，可以感知烟草产生的烟气和花粉，房屋粉尘等，根据颗粒周围散射和吸收的相对衰减率原理，光强将被衰减，从而检测出单位体积粒子的绝对个数.

图3 灰尘传感器信号处理电路

由于LED引脚必须接收一个较低的电压，所以传感器3口通过接PNP型晶体管SI2302对LED进行通电，与单片机18脚连接.反射后的光能量转换的电信号通过传感器5口直接传送至单片机20脚，利用STM8S103内置的A/D模块可对信号进行高速采集和处理，如图3所示.

2.3 STM8S103处理器

STM8是ST意法半导体针对工业应用和消费电子开发而推出的8位单片机.STM8的8位微控制器平台基于高性能8位内核，具有哈佛结构，并带有3级流水线，扩展指令集，对倒灌电流有非常强的承受能力，内部自带A/D转换模块，低功耗等优点.该平台采用STM8的130 nm嵌入式非易性存储器专有技术.STM8S103通过增强型堆栈指针运算、先进的寻址模式和新指令实现快速、安全的开发，较市场上同种类的单片机具有价格低、功能强、使用简单、开发方便等优势.基于以上STM8系列单片机的优势，本项目采用具有20引脚的STM8S103实现产品的研发与设计.

2.4 温湿度传感器

DHT11，是一款将数字采集技术和温湿度传感技术相结合的数字温湿度复合传感器，它在温湿度检测方面比DS18B20传感器增加了湿度检测功能，具有更高的可靠性和稳定性.传感器内部包含一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，DHT11第3引脚可以与高性能单片机相连接，将检测出的温湿度信号输送至单片机的10脚，如图4所示.

2.5 显示部分

LCM12864液晶显示器具有功耗低、体积小、重量轻、超薄等许多其他显示器无法比拟的优点，近几年来被广泛用于单片机控制的智能仪器、仪表和低功耗电子产品中.根据在液晶屏上显示温湿度值、PM2.5数值与PM2.5浓度变化曲线的要求，单片机STM8S103对采集的信号进行处理并使用LCM12864进行实时显示.通过绿、蓝、红、白4种颜色LED灯分别显示当前空气质量良好、轻度污染、中度污染和重度污染4种空气质量状态[3]，电路图如图4.

图4 显示电路连接图

2.6 无线通信功能

无线通信功能是实现远程监控技术的关键所在，需要在不同环境下准确地将检测数据传送至数据处理中心.本课题采用的EM310模块具有GSM/CDMA通信模式、四频、体积小的特点，并且支持内嵌协议，外形、引脚、固定孔完全兼容EM310模块特征，具有更高稳定性.根据课题要求，本文设计了可靠的外围电路、扩展的端口，使其通过串口通信方式与STM8S103型单片机TXD、RXD进行连接,如图4所示.单片机通过程序使得EM310模块去执行命令，检测出的PM2.5与温湿度数据通过EM310模块之间开启的GPRS和手机短信互通方式，采用天线接口可以远距离传输至手机，通过手机收发短信进行查询，也可以通过因特网技术对空气质量进行查询[4-6].

3 软件程序设计

本系统以STM8S103单片机为核心，而STM8S103单片机属于微型单片机系列，所以选择与之兼容的高级开发语言软件 Keil uVision2进行编程.Keil uVision2使用接近于传统C语言的语法来开发程序，与汇编相比，在功能、结构、可读性、可维护性上C语言具有明显的优势.由于C51已被完全集成到 uVision2的集成开发环境中，使得该集成开发环境包含C编译器、汇编器、实时操作系统、库管理器和仿真调试器等工具，而让在线编程更加容易.

根据硬件电路的设计，PM2.5颗粒物、温湿度检测通过以下3个步骤来实现：1) 打开整个系统，进入初始化，程序检查灰尘传感器、温湿度传感器是否响应，如果传感器不响应则返回；2) 单片机分别读取PM2.5颗粒物值、温湿度数值并传送至液晶显示屏，如果采集的PM2.5颗粒物值、温湿度数值正常，重复执行；3) 如果采集的数值不正常，经过驱动报警，结束检测，程序流程如图5所示.

对EM310模块通信通过以下3个步骤来实现：1) 打开整个系统，进入单片机初始化，并将EM310模块初始化；2) 初始化成功后，检测TCP/IP数据链接是否成功，如果成功链接则会执行数据接收，不成功则返回；3) 检测接收数据内容是否合法，如果合法则进行相应指令回复，如果不合法则结束，程序流程如图6所示.

图5 PM2.5、温湿度检测软件流程图

图6 EM310模块通信流程图

4 互联网监控

首先将两个EM310模块插上SIM卡，开启GPRS或GSM方式，模块上电时信号灯会开始闪烁，证明EM310模块正常启动，SIM900模块会寻找信号.此时信号灯闪烁的频率为每秒1次，手机卡正常通讯的情况下，EM310找到信号后闪烁的频率为每2秒1次.

图7 互联网监控实例

整个系统根据惠民工程需要，通过GPRS或GSM方式开启EM310模块通信，将多个不同点的PM2.5检测装置监测的空气质量数据上传到中心站平台，平台处理后的监测数据及时通过移动网络传输至云计算平台或采用以太网技术与因特网相连接，用户可以通过因特网进行实时查询不同地点的空气状态，实现对指定地区的实时预警.通过互联网输入本单位名称即可查询当前空气质量状态[5]，如图7所示.

5 结束语

通过大量实际测试表明，该系统在太阳能供电的情况下，能够对当前空气质量进行多功能显示，使人们了解当前空气质量的污染程度.项目优化了结构设计，增强了抗干扰性能与远距离收发功能，实现了对PM2.5与温湿度的远程查询与监控功能.为了有效保护发明创造成果，本项目已经申请了国家发明专利，有助于推动产品成果的转换.

[1] 李旭芳，初钧晗，于令达，等.北京市城区单监测点PM2.5质量浓度变化特征[J].北京师范大学学报:自然科学版，2011,47(3)：258-261.

[2] 郑刚，张志伟，蔡小舒，等. 浓度及粒度的光散射在线测量[J].中国激光, 1998,25 (3) :285-288.

[3] 李维提，郭强.液晶显示应用技术[M].北京：电子工业出版社,2006.

[4] 宋向东，宋宗伟．监测过程均值小的偏移的综合控制图[J]．郑州大学学报：理学版，2014，46(1)：49-53.

[5] 崔姗，胥俊岩，赵国生，等．基于LabVIEW供电质量监测系统的设计[J]．郑州大学学报：理学版，2014，46(3)：107-110.

[6] 王瑷珲，张强，王东云，等.基于滑模变结构的IPMC跟踪控制系统设计[J]．郑州大学学报：工学版，2014，35(6)：104-107.

Research and Realization of the Intelligent Monitoring System of Airparticulate Matter

ZHANG Zhi-tong1, YU Yuan2, GUO Xiang-xin1

(1.CollegeofElectronicandControlEngineering，NorthChinaInstituteofAerospaceEngineering，Langfang065000,China； 2.LangfangHealthVocationalCollege，Langfang065001,China)

Haze weather in vast area of China could bring traffic accidents and serious damage to human health. How to monitor the air quality and provide early warning at low cost is of vital importance. A multiple-function detection scheme was proposed based on the feature of PM2.5 particle matter. This scheme was powered by intelligent solar energy tracking system. The optical dust sensor was utilized to detect PM2.5. The signal of PM2.5, temperature, and humidity collected by the sensor would be processed by the micro-controller, and the result and changing curve would be displayed by screen and LED lights. Data also could be transmitted to data processing center by EM310, and the results could be published by website for early warning.

optical dust sensor; STM8S103; remote monitoring; signal processing

2014-10-28

河北省科技厅青年基金项目，编号13210332；廊坊市科技局科技支撑项目，编号2014011059.

张志通(1983-)，男，河北沧州人,实验师，硕士，主要从事电子与检测技术研究，E-mail:287292008@qq.com.

TN911.7

A

1671-6841(2015)01-0082-05

10.3969/j.issn.1671-6841.2015.01.018