制备基于Arduino开发板的PM2.5检测智能穿戴设备设计

鄢世阳，崔江龙，刘佳鑫，何达威，柳丽芬

(大连理工大学，辽宁 大连 124221)



制备基于Arduino开发板的PM2.5检测智能穿戴设备设计

鄢世阳，崔江龙，刘佳鑫，何达威，柳丽芬

(大连理工大学，辽宁 大连 124221)

指出了随着空气质量的恶化，雾霾天气现象出现增多，危害现象加重，有关雾霾的重大事件层出不穷，因此，对PM2.5的测量显得越来越重要。设计采用Arduino为控制中心，由夏普GP2Y1010AU0F粉尘传感器测量空气粉尘浓度，单色液晶显示屏显示当前空气粉尘浓度。结合arduino廉价、API开放度高的特点，设计了一种可以监测PM2.5并能与Android手机互动的智能可穿戴设备手表，使用该表用户可以通过手机了解时间与周围空气的质量，并可以自行设计手表的用户界面。该表还可以通过蓝牙与Android手机设备联动，通过在手机App上输入体重与运动种类(如跑步与慢步)，确定是否适宜活动，并在估算出这段时间内的吸入颗粒量。

PM2.5;Arduino;智能手表;物联网;自动检测

1　整体架构设计

1.1整体架构

该设计提出的PM2.5监测方案整体架构由Arduino、蓝牙模块、粉尘检测传感器模块、显示屏、电池、手机端APP等6部分组成，系统功能原理图如图1所示。整个设计中的粉尘检测传感器模块主要用于将PM2.5的浓度转换为电信号。主控制器将传感器输出的模拟电信号转换为数字信号，并通过特定的计算公式将数字信号转换为PM2.5的浓度在显示屏中进行显示。在整个检测过程中，该设计通过蓝牙模块将采集到的PM2.5的浓度发送到手机APP端，通过APP端实现PM2.5报警、分享、运动环境适宜度分析等功能。此外，电池模块为设备提供能源。

图1　粉尘浓度监测系统基本框

1.2硬件设计及PM2.5监测功能的实现

该系统的硬件在设计之初各个模块的选择上主要考虑了以下几个方面：低功耗、计算性能、检测精度、性价比。 基于以上几点的考虑，该系统的硬件设计选用了Arduino UNO R3开发板、夏普GP2Y1010AU0F粉尘传感器、HC-05主从机一体蓝牙模块、Nokia5110液晶屏等进行了开发测试。

1.2.1微处理器Arduino简介

Arduino具有14个数字I/O口(其中6个可提供PWM输出)，6个模拟I/O口，一个复位开关，一个ICSP下载口，支持USB接口，可通过USB接口供电，也可以使用单独的电源供电。

Arduino的开发环境是以AVR-GCC和其他一些开源软件为基础，采用JAVA编写的，软件无需安装，下载完成解压缩后就可以直接打开使用了。当把程序上传到Arduino时，它会自动把代码转换成C语言，再传给AVR-GCC编译器，然后把代码最终编译成微处理器能接收的指令。这些都是Arduino UNO很重要的一部分，因为它隐藏了复杂的编译过程，让使用者以尽可能简单的方式去控制微处理器。

1.2.2微处理器Arduino接线操作

屏幕和Arduino nano的I2C口连接时, SDA 线接A4口，SCL线接A5口。Sharp GP2Y1010AU 有6根接线通过购买的DF robot转接器，分出两根数据线，其中模拟输出线接Arduino A0口，数字输入线接D2口。

1.1 材料与试剂 紫椴花，于2018年7月5日09：00—10∶00采自吉林省吉林市左家镇吉林特产研究所，为紫椴新鲜花朵。将采集到的新鲜紫椴花朵储存于大口具塞玻璃采样瓶中，当日完成分析测试。

1.2.3粉尘传感器简介

该设计测量空气中粉尘浓度采用夏普GP2Y1010AU0F粉尘传感器，夏普GP2Y1010AU0F粉尘传感器可以感知烟草产生的烟气和花粉,房屋粉尘等,是根据颗粒挡住红外光对pwm波形的影响来测量粉尘浓度的，采用与粒子计算器相同原理为基础,检测出单位体积粒子的绝对个数。

夏普GP2Y1010AU0F粉尘传感器具有尺寸小、重量轻、易安装等优势，能够灵敏检测直径0.8 μm以上的粒子，内置加热器可实现自动吸入空气的功能，保养简单，便于长期保持传感器的特性。广泛应用于空气清新机、空气调节器、空气质量监测仪等。夏普传感器内部有一个红外发光二极管和一个光学传感器。每次从D口接收信号都会触发红外管发光，并有光学传感器捕获，其中的空气如果被灰尘遮挡则会引起PWM波形的高低变化，经过外部220μf电容平滑方波，形成可被测量模拟波形。

2　手机端APP设计

2.1App设计思路

大气颗粒物作为对人体健康危害巨大的污染物，尤其是细颗粒物可以对人体心血管和呼吸等多个系统造成伤害。我国多数的地区PM2.5污染比较严重，人体过度暴露在空气颗粒物中导致的健康问题也比较多。因此，开展污染物暴露评价，从而确定人体在污染物中的实际暴露水平有着十分重要的意义。对于污染物来说，其浓度限值只是考虑了环境中的污染物强度，而人体的呼吸是空气污染物从外界进入人体内的主要途径，所以根据人体的吸入暴露做出暴露评价能够更好地反映空气污染对身体健康的危害[6]。

笔者介绍了吸入暴露的评价方法，并以市区为例，以PM2.5为标靶，对各年龄段人员的污染暴露水平进行了分析探讨。从而以此来设计相应监测计算以及评估PM2.5的综合app，来帮助人们管理生活，使生活更健康。

2.2系统方案

系统方案采用Android操作系统，基于Eclipse，以Java语言和HTML语言开发。

2.3功能与指标

依据个体的年龄和运动状态，结合监测手表监测到的PM2.5数值来计算PM2.5的总吸入量，帮助人们更好地了解自己目前吸入量以及更好的规划之后的生活，远离PM2.5带来的危害。在软件中设置PM2.5的警告阈值，一旦超过这个值，软件将会向用户之前设置好的好友发送短信提醒，帮助好友及时了解身边空气的状况。将软件采集到的数据上传到云端，带来更详尽的PM2.5数值，方便其他人了解，同时也为科学分析提供数据来源。

2.4实现原理

暴露是指在一定时间内，接触一定浓度污染物的过程，是评价空气污染物迁移、分布对人体影响的重要参数，也为流行病学以及健康风险评价的研究提供了基础参数。对于颗粒物来说，主要通过人体呼吸进入到体内的。根据人体暴露采用的吸入暴露概念，可以计算一定时间内的人体吸收颗粒物的潜在剂量评价实际人体的暴露状况。因此，颗粒物的吸入暴露评价是采用相对暴露的时间、浓度和呼吸速率的乘积进行积分，即：

(1);

(1)式中，Dpot是颗粒物的吸入暴露量(mg)；、分别为暴露时间段起始以及最终时间(h)；c(t)是随着暴露时间而变化的颗粒物的质量浓度(mg)；I是随着暴露时间而变化的人体呼吸速率(h)；t是暴露时间(h)。进行不连续的暴露时间段的颗粒物的吸入暴露量计算：

Dpot=∑ci×IRi×ti

(2)；

(2)式中，ci为颗粒物的质量浓度(mg)；I为人体呼吸速率(h)；ti为第i个的暴露时间(h)。

2.5软件流程

用户先开启蓝牙，将设备与手机配对，然后设置用户群体，这样就完成了基本的设置。之后设置提醒的阈值，当检测到PM2.5的数值超过这个的时候，就会发出自动警告。还可以设置运动种类，点击开始统计后，软件将自动计算出该段时间内吸入的PM2.5的量。

3　实物制作

经过试验，完成了手表的初步制作。该设备已可以实现基本功能。该表成本在80元左右，具有廉价与便携的特点，可以在户外多点测试中具有优势(图2)。

图2　PM2.5检测智能手表的初步制作

4　结论

该设计利用时下比较流行的开放物联网硬件平台Arduino与安卓操作系统完成了PM2.5检测方案的制作与测试。经测试，该检测系统工作正常，测试结果在一定范围内具有很高的参考价值，为用户的健康出行提供了保障。总体而言，该检测方案实现了以下功能：①能够准确检测空气中的PM2.5的含量；②根据实时监测结果能够对当前空气质量做出准确评估；③手机端APP能够与Smart Block 实现互联，对PM2.5信息进行在线分享；④成本更低，更易于制作，易操作。

与其它同类PM2.5检测方案相比，设计具有以下特色：①手表式外观设计，美观时尚，轻便易携带；②性价比较高，适宜普遍推广；③具有相匹配的APP，更加切合物联网的发展趋势。

该设计也存在很多不足之处：设计应用于单点测量，在范围估测上有很大的局限性与不准确性，同时该

设计出于成本考虑采用UNO R3版本，使装置在体积上变大，改进时可以采用Lilypad使装置减小体积大小，从而达到更便携的效果。

[1]戴海夏. 大气PM2.5的健康影响[J].国外医学(卫生学分册), 2001(3).

[2]傅敏宁. PM2.5监测及评价研究进展[J].气象与减灾研究,2011.

[3]黄金力. 论PM2.5监测的重要性[J].城市建设理论研究(电子版),2013.

[4]王磊. PM2.5监测技术要点及意义探讨[J].城市建设理论研究(电子版), 2014.

[5]陈向国, 郝吉明.实现PM2.5治理目标第一阶段很关键[J].节能与环保, 2012.

[6]季海荣. 人体室内外PM2.5吸入暴露研究[J].环境污染与防治》,2014.

2016-07-19

鄢世阳(1994—)，男，大连理工大学学生。

TP311

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1674-9944(2016)16-0040-03