基于MIE理论的室内便携式颗粒物检测仪设计

赵小强　彭红梅　张朋波

摘 要： 针对传统监测设备难以安装维护、响应速度慢的问题，设计一种基于光散射理论的室内便携式颗粒物检测仪。首先分析推导光散射法检测颗粒物浓度的原理，并设计蓝牙传输模块的硬件电路，然后通过指令将蓝牙传输模块端口和手机终端进行配对，最后在手机终端对收到的数据进行实时解析及显示。结果表明，该检测仪的测量数据经格拉布斯准则处理后，与DUSTTARK Ⅱ8530（TSI）测试仪器的数据相比误差不大于6%，且无需现场布线、智能便携，易连接组网通信，适用于室内颗粒物监测等方面应用。

关键词： 光散射理论； 蓝牙传输； Android开发； 颗粒物检测仪； 格拉布斯准则

中图分类号： TN98?34； TP216 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）24?0120?04

Design of indoor portable particulate matter detector based on MIE theory

ZHAO Xiaoqiang， PENG Hongmei， ZHANG Pengbo

（School of Communication and Information Engineering， Xian University of Posts and Telecommunications， Xian 710061， China）

Abstract： Since it is difficult for the traditional monitoring equipment to install and maintain， and its response speed is slow， an indoor portable particulate matter detector based on light scattering theory was designed. The principle of using the light scattering method to detect the particulate matter concentration is deduced. The hardware circuit of the Bluetooth transmission module was designed. The port of the Bluetooth transmission module is matched with mobile phone terminal by means of the instructions， and then the received data is analyzed and displayed in real time in the mobile phone terminal. The data measured by the detector is processed by Grubbs criterion， and its error is less than 6% in comparison with the data measured by DUSTTARK II 8530 （TSI）. The detector dispenses with the on?site wiring， is intelligent and portable， easy to connect to the networking communication， and suitable for the indoor particulate matter monitoring and other applications.

Keywords： light scattering theory； Bluetooth transmission； Android development； particulate matter detector； Grubbs criterion

随着越来越多的建材家电进驻室内，使得室内的空气颗粒物污染源复杂多样。若颗粒物粒径小于2.5 μm就可以穿过人体的肺部和气管进入血管，随着血液流到全身各处，直接危害人体健康，所以常规的实验室监测手段已经满足不了具有不可预测性的突发事件[1?2]。准确测定室内颗粒物的设备昂贵，如青岛溯源TY?13型室内二段可吸入颗粒物采样器约10 000元，且测定时间较长，需要专业人员进行连续测定。传统上采用分析化学方法和光谱分析等方法对颗粒物进行监测。分析化学的方法一般需要在测量现场采集样气，带回实验室进行化学分析得到结果，而光谱分析需要专门的光谱仪，设备昂贵、操作复杂、不便携带，而且采样分析速度慢，无法实现实时的空气品质测量。目前国内对颗粒物浓度的监测方法有许多种，光散射测量方法以检测速度快、测量范围大、自动化程度高、不受温度压力变化影响，可在线监测等优点倍受欢迎[3?4]。随着传感器制造技术的发展，便携式监测仪体积越来越小、精度越来越高，且能及时得到现场的第一手数据，方便人们对室内环境状况的了解，并做出相应措施，其应用越来越受到社会各界重视[5?6]。

1 传感器及检测原理

传感器由激光器、光散射测量腔体和传感器处理电路三部分组成，采用激光散射原理：当激光照射在空中的悬浮颗粒物上时会产生光散射现象，此时的散射光强度随颗粒物的浓度变化而变化。如果在某个特定角度收集这些散射光，当散射光通过凸透镜到达光电传感器时，传感器处理电路把接收到的光强度信号转换成电信号，由此可得到散射光强随时间变化的曲线。

本次研制的颗粒物检测仪采用PMSXOXX系列传感器，粒径分辨率最小可达0.3 μm，能同时监测3种不同粒径阈值微小颗粒物的浓度，如PM1.0，PM2.5，PM10。该监测仪通过计算粒子数目来测量颗粒物的浓度，其原理模型是来源于麦克斯韦方程组的严格数学解。其理论推导如下：当光强为I0的自然光线入射到各向同性的微粒时，距离散射体R处的P点的散射光强为：

[Isca=λ2I08π2r2S1θ2sin2h+S2θ2cos2h]

式中：λ为光波波长；θ为散射角；h为偏振光的偏振角；振幅函数S1（θ）和S2（θ）分别为：

[S1θ=n=1∞2n+1nn+1anπn+bnfn]

[S2θ=n=1∞2n+1nn+1anfn+bnπn]

式中：an和bn是与贝塞尔函数和汉克尔函数有关的函数；πn和fn是连带勒让德函数的函数，仅与散射角θ有关。振幅函数S1（θ）和S2（θ）是MIE散射光强的关键，an和bn是计算的难点，求和是一个无穷的过程，理论上无法计算。由于an和bn的表达式满足一些递推关系，若计算之前给定[n]的大小，则通过计算机编程可以方便地求出an和bn，自然可以求出距离散射体R处的P点的散射光强Isca。散射光强经过光电转换器转化成PWM波形，其对应的脉宽长度就是对应微小颗粒物的浓度。

2 总体设计

便携式颗粒物检测仪主要由两部分组成：硬件部分和软件部分。硬件部分由攀藤G1型PM传感器和自行设计的蓝牙3.0模块组成；软件部分采用Android编写的上位机软件，通过解析蓝牙传输的数据进行数值显示和曲线绘制。如图1所示。

3 蓝牙模块设计

3.1 硬件电路设计

蓝牙技术是通过支持点对点或者点对多点的模式，以无线方式将室内的各种数据和语音设备互连成一个分布式网络，并在这些连接设备之间实现快捷而方便的通信[7?8]。蓝牙模块硬件电路的设计如图2所示。

图2 蓝牙模块硬件电路

3.2 蓝牙设备的设置及连接

蓝牙串口通信模块具有命令响应和自动连接两种工作模式。当模块处于命令响应工作模式时，用户可向模块发送各种AT指令将波特率设置为38 400 b/s，8位数据位，1位停止位，无校验位和流控制位。令BS_KEY=1，进入AT指令配置状态，通电后，蓝牙模块进入AT指令响应状态。通过串口工具发送字符：

“AT+NAME=陈＼r＼n”表示设置模块设备名称为：“陈”；

“AT+LINK= A086，C6， 24800D ＼r＼n”表示查询蓝牙设备“A0：86：C6：24：80：0D”是否在配对列表中，响应“OK”（成功）表示蓝牙串口配对连接成功，此时BS_LED=1。

“AT+ROLE=1＼r＼n”表示蓝牙模块主动发起连接，若返回“OK”，则表明蓝牙设备间的透明数据传输通道已建立。

用单片机最小系统供电，连接蓝牙模块（ATK?HC05）和手机（GT?S7898），等手机搜索到蓝牙设备地址（A0：86：C6：24：80：0D）后，点击该设备完成配对，进入空气质量监测界面，这样蓝牙模块便可以向手机端发数据，结果如图3所示。

3.3 蓝牙解析协议

协议是指通信双方为完成服务而必须遵循的规则或约定，绝大多数的蓝牙设备都需要协议。根据实际的应用需要，将手机与蓝牙的通信协议如表1所示。

表1中浓度单位为μg/m3；测量空气体积0.1 L；DataN_H代表数据N的高8位；DataN_L代表数据N的低8位；Data_H表示帧长度高8位；Data_L表示帧长度低8位；DataL_H表示数据和校验高8位；DataL_L表示数据和校验低8位。针对以上协议，Android程序通过调用相应的接口数据，解析协议数据，将检测结果以数值和曲线的方式显示在手机界面上，如图4所示。

4 数据测试及分析

通过设计蓝牙传输模块硬件电路和配置AT指令，实现传感器测量数据的透明传输，利用米氏理论算法，得出单位体积内颗粒物的数量。最后在Android手机端开发了便携式颗粒物检测仪上位机软件，通过解析蓝牙传输的数据进行数值显示和曲线绘制，对检测数据进行实时显示与超标警告[8]。

为了保证测量精度，每隔1 h测量1次颗粒物浓度，连续测量24次，采用“多次测量求其平均值”方式输出当天的颗粒物浓度的平均值，共持续30天，12月份颗粒物浓度如表2所示。

由于每天的24个采样数据可能存在较大误差，因此不能仅对这24个值取平均，应采用格拉布斯准则[9]对这24个数据进行筛选。图5是以12月8日10点—16点的采集数据为例说明筛选过程。

按照上述过程将12月份检测仪每天监测的数据绘制，以TSI为标准检验不同颗粒物浓度下的G1监测数据和相对误差曲线[9]，结果如图6所示。经过实际测试，检测仪测量数据准确，在12月的30天当中，该检测仪与TSI检测仪测量数据比较，相对误差不大于6%，能很好地满足对室内空气质量监测的需求。

5 结 语

本文主要从室内便携式环境检测设备开发的角度，结合光散射测颗粒物浓度的方法、Android开发技术以及蓝牙通信技术，完成了一个高精度低成本的便携式室内颗粒物检测仪设计，不仅实现了室内的短距离通信，同时可在手机终端APP上实时查看监测数据。在完成硬件和软件的设计的同时将检测仪与TSI测试仪器进行了比对测试，经格拉布斯准则处理后相对误差不超过6%。

参考文献

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