基于手机的分布式空气粉尘检测系统

任凯旋+杨刚+高冲+徐鹏飞+陈一南

摘 要：在传统空气质量监测中，设立区域监测站往往存在设备昂贵，监测点稀少，维护费用大等缺点。针对这一问题，文中提出了一种基于手机的分布式空气粉尘检测系统。系统采用手机安卓系统搭载粉尘传感器构成便携式空气粉尘检测装置，利用大众使用手机的广泛性、数目庞大的多个该装置构成分布式测量体系，方便检测各区域的用户空气状况，再结合手机GPS定位数据，传送至微信或网站的服务器，经运算得到更准确的各区域空气数据，并实现网络共享。该系统极具成本维护优势且便于应用，空气数据更有针对性。

关键词：空气质量；分布式测量；GPS定位；网络共享

中图分类号：TN92 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）07-00-03

0 引 言

近年来，随着工业化程度的不断加深，我国各地PM2.5与PM10等粉尘颗粒物导致的雾霾天气频繁发生，如何更好地监测与保护我们生存的空气质量，已经成为迫切需要解决的问题[1]。

传统的空气质量监测，往往都是在城市的各个区域分别设立有限个空气监测站来获取该区域总体的空气质量指数[2，3]。因监测站设备昂贵，这一方式的监测布点往往很少很散，且所测数据并非人们所关心的身边区域的具体数据，导致测量的数据不够细致化，对区域环境的评估不够精确化，进而会导致区域环境的治理不够细致灵活，没有很强的针对性，同时对这些空气监测站的周期维护也费时费力。

基于上述背景，我们独辟蹊径，采用了分布式测量的思想，提出基于手机外接一个小巧的低成本低精度的粉尘传感器来检测空气质量数据[4]，利用人们使用手机的广泛性，当大量用户利用该装置将自己身边区域的空气粉尘检测数据与利用手机GPS定位得到的测量点的地理位置信息上传至微信平台或网站服务器后，经过统计汇总和处理，从而得到人们所关心区域的，具有代表性的，相对准确的空气质量数据。同时，我们也利用现有的微信或网络平台，来实现空气质量信息的共享，让人们随时随地了解到最新的各个区域的空气状况，便于用户选择一个更加健康舒适的工作、生活或娱乐环境，该系统的总体框架如图1所示。用这样的方法来尝试解决传统监测站监测点稀少，样本稀疏，针对性不强，监测设备和维护成本高的弊端。另外，我们试图通过开发和使用这样一个安卓手机APK应用软件，让我们每一个人都参与进来，不只是作为空气数据的采集与提供者，更重要的是让这种关注并参与环保的方式流行起来，使得每个人都将环保这种理念深入内心。

本文将针对该系统，主要从系统设计方案，功能实现，实验验证这三大部分进行详细介绍。

1 系统设计方案

1.1 结构组成

该系统的结构组成分为手机外接粉尘浓度检测装置的设计，安卓手机的APK软件开发，以及微信平台及网站的搭建共享这三大部分，其结构组成如图2所示。

图2 结构组成图

由图2我们可以很清楚地看到数据流在各模块中的传输过程：首先，手机通过我们开发的APK软件，一方面经由蓝牙串口模块获取Arduino nano[5]上从粉尘传感器模块得到的空气质量信息；另一方面直接从手机GPS模块上获取地理位置信息。然后将获取到的两种信息同时上传到微信公众平台及网站上，进行数据的汇总和处理后，手机可以获取到平台上各区域的空气质量数据，实现数据共享。

1.2 功能划分

从功能上来说，我们可以将其分为空气中粉尘浓度信息的检测，蓝牙数据传输，地理位置信息的采集，位置与空气质量信息的上传，基于网络平台的信息共享五个主要功能：

（1）粉尘浓度信息的检测主要测量的是单位体积内颗粒物的数量，通过该数量与标准值进行比较得到空气质量的最终评判。其功能是通过用Arduino程序开发来实现的[6]。

（2）通过蓝牙模块实现外接检测设备与手机端之间的信息传输，使我们所检测到的信息可以有效地显示到我们的手机端，并做后续的处理。

（3）地理位置信息的采集可以实现经纬度数据的获取，是通过APK软件开发利用接口函数从手机自身的GPS模块来获取的[7]。

（4）位置与空气质量信息的上传是通过APK软件开发利用微信平台的上传接口函数实现的。

（5）网络是传播信息的最好平台，因此为了能够使得该系统在社会层面上发挥最大的效果，我们注重利用网络手段来构建我们的信息发布平台。主要做了专用网站以及微信公众平台，用来定时发布我们的空气质量信息，并且给出具有指导意义的建议。

2 功能实现

2.1 空气粉尘检测装置硬件电路

该检测装置的空气粉尘传感器，我们选用的是夏普GP2Y1010AU0F粉尘传感器，主控CPU采用开源的Arduino nano子板，通过蓝牙通信与手机进行空气质量的无线数据传输，相应的硬件电路图如图3所示。

管脚说明：

（1）Nano板：pin1（VCC）、pin2（GND）、pin23（A0）、pin22（D2）、pin24（GND）；

（2）蓝牙：pin4（TXD）、pin5（RXD）、pin3（GND）、pin2（VCC）；

（3）传感器：pin1（V-LED）、pin2（LED-GND）、pin3（LED）、pin4（S-GND）、pin5（Vo）、pin6（Vcc）。

实验用手机外接的空气粉尘检测装置实物如图4所示。

图4 空气粉尘检测装置实物图

2.2 Arduino nano板的程序设计

Arduino语言建立在C/C++基础上，内核仍是基础的C语言，Arduino语言只不过把AVR单片机（微控制器）相关的一些参数设置都函数化，不用我们去了解它的底层。因此，在一定程度上简化了我们编写程序的工作，只需要了解所调用的函数就能够很快地去编译并调试好相应的功能代码。而在要设计的空气质量（粉尘浓度）传感器功能代码这一块，我们所要编写的程序主要是关于管脚的定义，相关延迟的设定，输出与输入接口的设定，以及根据传感器说明上电压值和单位体积内粉尘颗粒物数量值的转化关系公式以及一些判定语句的编写。

2.3 安卓手机APK软件开发

APK软件开发根据功能可分为两个部分：

（1）通过蓝牙获取空气质量信息。

关于蓝牙我们在手机端的实现上必须要有一个自身蓝牙是否打开的判断，然后搜索粉尘检测装置上的蓝牙设备，直到最后才是蓝牙设备与手机之间的通信和数据传输[8]。

（2）GPS地理位置信息的获取。

在这一块，当我们需要使用Google Map的时候，就必须要使用谷歌地图（Google Map）API接口函数的key，因此要先注册一个开发者key。然后还要产生开发期间的MD5密钥，并且需要在布局文件中增加MapView控件。而且由于我们的应用需要调用Google Map的数据，以及通过手机的GPS获得相关地理位置数据，所以我们必须在Android的Manifest文件中进行权限设置。

2.4 微信平台和网站的搭建共享

微信平台的搭建共享，因为在其搭建时腾讯给出了具体的向导和指南，所以在此不做赘述，这里只做一个功能的介绍。首先我们的微信平台会统计所有采集来的数据并进行相应算法处理[9]，然后将得到的数值在微信平台及网站上定时发布[10]。用户可以利用微信等访问这些区域的空气数据。除此之外我们还会根据我们检测到的环境和空气数据信息为用户推荐一些适合休闲娱乐的区域作为参考。

3 实验验证

我们选取了三种不同的实验环境，对该空气检测装置和整个系统进行了多次测试，平均后得到相应的空气质量PPM值，如表1所列。

表1 三种实验环境下空气检测PPM值

实验环境 PPM值 等级评判

学校操场 578 正常

网吧 3 782 差

施工工地 6 782 差

通过测试结果可以看出，数据和真实生活感受相符，对于空气中粉尘颗粒物的浓度，学校操场室外为正常，网吧空气质量因室内封闭且抽烟人多而变差，施工工地因现场操作扬尘因而空气质量是最差的，说明该空气检测装置和系统可以正确检测出某个区域的空气质量状况。

4 结 语

手机是现代通信最普遍的方式，对于生活在现代社会中的人，手机早已经演化成我们生活中不可或缺的一部分，而且手机的功能越来越强大，为手机搭载各种不同的传感器早已经不再新鲜。因此，我们所设计的为手机搭载空气质量检测传感器在技术上完全是可行的，在制作工艺上也并不复杂。当然，如果传感器能做的更小一些，我们完全可以将传感器内嵌到手机里，使产品更加完美。

另外，我们采用分布式测量的新思路，用低成本的粉尘检测器件实现对空气质量数据的收集，通过服务器平台统计处理大量类似数据，以数量换精度，可以得到人们所需要的身边的相对准确的空气质量数据。由于手机的普遍性，使所测量的数据更加庞大细致，如果将该海量数据作为一个环境治理的参考依据，可以使治理的区域划分的更加具体，使环境治理的方案做的更加细致，使治理的对象和手段更具针对性和多样化。

通过我们监测的空气质量数据，人们可以方便地了解到自己身边位置的有针对性的具体空气信息，人们还可以随时随地的查询即将前往区域的空气信息。我们还可以为用户提供更健康更环保的区域场所作为参考选择，也可以以社交网络的方式将我们所处区域的空气质量信息分享到好友圈。可以预见，当手机监测空气质量成为一种习惯一种风尚时，也就意味着越来越多的人正在习惯性的关注着我们身边所处的环境，那么当这一天到来的那一刻，我们的环境一定会更加美好。

参考文献

[1]孙秀艳.2013年74个城市空气质量状况报告[N].人民日报，2014-3-26.

[2]丁胜，冯雪.浅论空气质量检测方法[J].污染防治技术，2013，26 （1）：45-46.

[3]中国环境监测总站.《环境空气颗粒物（PM10和PM2.5）连续自动监测系统技术要求及检测方法》[S].2013-7-30.

[4]夏普公司.夏普GP2Y1010AU0F粉尘传感器产品说明书[R].https：//www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/gp2y1010au_e.pdf.

[5] MASSIMO Banzi.爱上Arduino[M].于欣龙，郭浩赟，译.北京：人民邮电出版社，2012.

[6] RETO Meier. Android 4.高级编程（第三版）[M].佘建伟，赵凯，译.北京：清华大学出版社，2013.

[7]李刚.疯狂java讲义（第二版）[M].北京：电子工业出版社，2008.

[8]GREG Milette， ADAM Stroud. Android传感器高级编程[M].裴佳迪，译.北京：清华大学出版社，2013.

[9]戴江.环境空气质量状况分析[J].中国科技纵横，2010（15）：20-21.

[10]张新曼.精通JSP-WEB开发技术与典型应用[M].北京：人民邮电出版社，2007.