无线空气质量PM2.5测量系统的研究

李岩 葛冬杰 曹宁 袁玉先 陈振军 林国治 翟璐

青岛滨海学院机电工程学院，山东青岛 266555

一、引言

随着中国现代工业化进程加快和城市化的发展，及排放到空中的汽车尾气越来越多，农业焚烧秸秆的面积不断增大，我们所居住生活的环境大气质量逐渐下降，人们渐渐意识到空气中的粉尘颗粒对健康的危害不可忽视。

PM2.5是指环境空气中直径小于或等于2.5μm的颗粒物，PM2.5粒径小、面积大、活性强、易附带有毒、有害物质，且在大气中的停留时间长、输送距离远，浓度过高，可能导致人体呼吸、内分泌、心血管、神经及免疫等系统疾病的发生，严重影响身体健康。空气中的不同颗粒的形成方式不尽相同。[1][2]表1给出不同污染源形成的不同颗粒物。

本研究中的测量方法是采用粉尘传感器测量空气中的PM2.5值，传感器输出与PM2.5浓度相关的电压信号，并输送到单片机中，数据处理后，通过无线传输模块将数据传送至手机或计算机，计算机对大量数据进行处理后可了解近期每天的空气质量情况。[4]

表1 空气中若干种颗粒的百分比[3]

二、实验硬件电路设计

本测试装置中主要结构包括粉尘传感器、单片机、无线发射模块、液晶显示模块。图1为监测系统的结构框图及硬件结构全图。首先采用粉尘传感器对空气中粉尘浓度进行检测，将粉尘浓度转换为电压信号，然后经过单片机进行A/D转换，然后通过无线发射模块进行信号的发射，终端接收模块进行信号的接收。

1、粉尘传感器

粉尘传感器的型号为GP2Y1014AU0F，用于PM2.5浓度值检测，这是夏普公司生产的新型光学质量传感器，传感器中心有个洞可以让空气自由流过，内部对角安放着红外线发光二极管和光电晶体管，定向发射LED光，通过检测经过空气中灰尘折射过后的光线来判断灰尘的含量，可测量0.8μm以上的微小粒子，输出的模拟电压正比于所测得的粉尘浓度，灵敏度为0.5V/(0.1mg/m3)，工作电压为-0.3V～+7V，电源电压在5V左右，通过MCU对其进行脉冲驱动，I/O口采集其模拟量，并利用A/D转换得到与模拟量对应的空气质量值。外形及状态图如图2所示。

2、单片机

单片机处理单元的型号分别为STC15F2K60S2、STC89C52，其中STC15F2K60S2控制粉尘传感器和无线通讯模块，STC89C52控制液晶显示器及时钟。图3为单片机STC15F2K60S2和STC89C52的连线原理图。

3、无线发射模块

无线发射模块采用果云A6模组，工作电压为3.3V～4.2V，开机电压大于3.4V。模组支持GSM/GPRS 4个频段，包括 850,900,1800,1900MHZ；支持语音通话、SMS 短信、GPRS 数据业务、2G /3G/4G移动卡/联通卡，支持标准 GSM07.07,07.05 AT 命令及 Ai Thinker 扩展命令，有2 个串口，一个下载串口，一个 AT 命令口。此模块在电路中与MCU进行连接，进行数据的通信与传输，发送对应的AT指令对其进行数据发送操作。

4、液晶显示器

显示采用的是LCD1602，它能够同时显示16×02即32个字符。1602采用标准的16脚接口，8个数据位，内部采用ASCII显示。在该仪器中的作用是从DS1302中读取的时间以及对采集的浓度值显示，可以让使用者直观地观测到当前时间及浓度值的变化。

5、时钟电路

采用DS1302芯片完成定时功能，该芯片是由美国DALLAS公司推出的具有涓细电流充电能力的低功耗实时时钟芯片，可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿等多种功能，主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。采用32.768kHz晶振，通过MCU的I/O口对其进行操作编程便可读取内部数据。

三、软件设计

当仪器启动后，软件部分进行初始化，对各个硬件进行参数检查，如通讯模块有无开启等，如不符合则会重新启动，如果正常则会继续运行。

功能分为两大功能：定时发送功能和预警功能。定时功能主要是当DS1302芯片计时时间到达人为设定的时间时，MCU处理器随之给检测空气质量传感器一个信号进行数据采集，MCU并进行读取保存，同时MCU会通过通信系统将数据发送到手机并将数据传送给LCD1602进行显示，检测有没有发送成功，如果发送成功会将内置标志位置1，随后软件复位，为下一次发送做准备，反之重新发送。预警功能主要是在MCU内设定浓度值，如若采集浓度值到达该值时，MCU会将数据发送到手机并将数据传送给LCD1602进行显示。如果没有到达浓度值便继续进行实时检测。整个流程主要完成定时、显示、通讯、检测四大部分的功能。系统中的定时部分是每天可对每个时间点进行定时设置，仪器便会在每个定时点进行采集PM2.5数据，发送到手机和上位机进行数据分析。图5为实验中的数据流程图。

四、实验结果采集与数据分析

目前有检测站利用简易玻璃纤维滤膜在空气中停留2个小时，从早晨9:00至11:00时间段内玻璃纤维滤膜吸附微颗粒物的情况为样品。首先对滤膜进行处理，每张滤膜在进行采样前需用光照检查，把含有针孔和其他缺陷的滤膜剔除。[5][6]将附着有微颗粒物的玻璃纤维滤膜放置于检测系统采样器内，激光器发射的激光首先通过一张没有附着颗粒物的滤膜，玻璃纤维滤膜的透光性很好，以便在另一侧用光敏电阻接收激光光强，通过放大电路将光敏电阻的电阻变化经电路进行放大后，得到相应的电压值，将电压值与PM2.5值进行正向对比，从而得到采样数据，根据清晨大气污染情况对样品进行连续采样测试，得到与输出电压相应的PM2.5值，进行从量上分析大气污染情况。[7]

我们预先将一定质量的微颗粒物吸附于吸尘纸上，然后经系统进行测试得到输出电压值，以求得到电压与PM2.5的相对应值。将理论值（指对大气污染程度级别的理论值）与实测值进行对比，得到相应的大气污染情况。由于空气中的粉尘微粒体积小，重量轻，所以粉尘试纸容易吸附这些微粒，使测试结果的采集工作较易完成。

采用搭建好的测试设备系统对不同时间、地点的空气质量进行监测，并对数据进行分析处理，得到空气中PM2.5值如图6所示。本系统的监测地点距离Airsisual软件青岛黄岛区监测子站大约4km左右，测量值与其公布的数据有一定误差，大约在±10μg/m3。

从图中我们可以直接看到PM2.5值的变化情况。5月10日上午从6点至12点，PM2.5从35μg/m3到47μg/m3，根据空气污染指数的定义范围，可知空气质量为优，为I级。5月12日污染情况较为严重，上午10点时浓度值最小为70μg/m3，而中午12点已经超过了500μg/m3，达到严重污染等级。

五、结语

本实验中采用的光电传感器检测微粒浓度的方法，原理简单，检测方便，精度高，测量结果灵敏度高，能实时监测空气质量，对于在空气质量较差时的环境情况，监测数据能通过无线模块进行发射传输，起到及时预警的作用，传输模块成本低，信息显示简单易懂。本设计的产品可在工厂，学校，医院、道路交通站等需要对环境进行检测的地点使用，应用性广泛。