基于物联网的雾霾监测仪设计与实现

谭舒丹 王梦娇 刘玉林 杨靖

摘要：近年来，城市空气污染加剧，为了能够及时的监测空气质量指数，设计了一种基于物联网的雾霾监测系统。日常雾霾天气大多数都是由空气中的细颗粒物PM2.5导致的，故该系统设计是将粉尘（PM2.5）传感器采集到的信息传送到单片机STC89C51，若处理后的数据高于设置的PM2.5报警值则触发声光报警。经测试，该系统价格便宜、体积小巧便于携带，能够满足绝大多数家庭的环境监测使用。

关键词：物联网;PM2.5;粉尘传感器;单片机

引言

近年来，随着科技的不断发展，人们的生活水平得到了很大的提高，工业产品也越来越多的出现在人们的生活中，在使用这些工业产品的过程中也同时制造了很多的空气污染。比如工厂排放的工业废气，汽车排放的尾气，还有燃烧产生的烟雾等等。目前，市场上空气质量量化检测通常都是采用 PM2.5 指标来衡量，通过一系列监测器来实现数据的实时检测、显示和记录。但一些专业的监测设备，体积普遍偏大且价格昂贵，不同厂家的检测设备测试数据偏差也较大，并不适合广大市民购买和使用。

随着物联网技术的飞速发展，已经在很多领域进行了应用，如各类打卡系统，门禁管理，智能交通，物流系统等。本设计基于物联网技术，在显示屏上显示当前的PM2.5监测浓度值，并采用蓝牙模块连接上位机，在上位机上实时的显示监测的浓度值。通过这些直观的监测数据，让人们更清楚的了解到，现代工業发展对空气的污染程度，从而意识到保护大气保护环境的重要性。

1.系统硬件组成

该监测仪系统硬件结构示意图见图1，本套系统旨在采集室内或其他非高精度要求的环境浓度信息，系统的信息都来源于传感器采集的数据，整个系统由STC89C51为主控制器，配以电源模块、传感器模块、声光报警模块、显示模块、A/D转换模块和蓝牙传输模块这等几大模块组成。从而实现对空气中PM2.5浓度的监测、显示和报警。

1.1 主控制模块：控制器采用的是单片机STC89C51，工作电压

3.8V-5.5V，是一种低功耗，高性能CMOS8位微处理器，与传统8051单片机指令和引脚完全兼容。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C51在众多嵌入式控制系统中得到广泛应用。

1.2 传感器模块：此系统中使用的是粉尘（PM2.5）传感器，型号为 GP2Y1010AU0F，是一款光学空气质量传感器，用来感受空气中的尘埃粒子，其内部有一个红外发光二极管和光电晶体管，对角布置成允许其检测在空气中的灰尘反射光。故在检测非常细的颗粒，如香烟烟雾，都是很有效的，并且广泛应用于空气清新剂、换气空调等产品中。具有非常低的电流消耗（最大20mA，典型值11mA），灵敏度为0.5V/（0.1mg/m3），工作温度为-10～65。该传感器的输出为模拟电压，其值与粉尘浓度成正比。

1.3 显示模块：采用的是LCD1602液晶显示屏，是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。显示的内容为16X2，即可以显示两行，每行16个字符。工作电压为3.3V-5V，对比度可调。具有微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的优点，通常应用在袖珍式仪表和低功耗系统中。

1.4 A/D转换模块：此模块选用型号为ADC0832，是一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片，可以适应一般模拟量转换要求，转换速度较高仅为32us。由于它体积小、兼容性强、性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，目前已经有很高的普及率，适用于各种便携式智能仪表。

1.5 蓝牙传输模块：此系统中选用的蓝牙模块是HC-05，供电电压：3.3V-6V，参考距离为10m，可基本满足普通家庭使用。可连接到微控制器的串行端口，允许微控制器通过此模块与其他设备通信。启动模块后，任何蓝牙设备都可以发现它，此装置中我们采用的是智能手机与它连接。

1.6 电源模块：考虑到便于携带和供电方便，电源部分我们选用USB数据线进行供电。外出携带时可用充电宝充当移动电源，以满足各种使用情况下的供电需求。

2.系统软件设计

系统程序流程图如图2所示，单片机STC89C51作为整个系统的核心控制部分，主要是采集和处理数据信息，这之间还需要A/D转换模块将模拟信号转换为数字信号传送给单片机，单片机处理得到最终的检测数据后，会将其显示在LCD液晶屏上，若最终传送过来的数据超出了设定的警报值，蜂鸣器和发光二极管就会发出声光报警。警报值可以通过电路中设计的三个按键进行修改，按下第一个按键就可启动设置模式，按下第二个和第三个按键就可进行警报值的加减，设置好数据后，再按一次第一个按键就可退出设置模式（实物图如图3所示）。

结语

该监测仪成本低廉、便于携带，适合大部分人在日常生活中使用。该装置采用了技术成熟的STC89C51单片机作为控制模块，而显示屏、蓝牙模块和声光报警模块都能直观的反映周围的空气情况，从而使人们重视空气污染，这对环境保护起到了一定的作用。

参考文献

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[5]安臣伟. 基于物联网的家庭环境监测系统[D].内蒙古大学，2019.

基金项目：

大学生SRT项目，贵大SRT字（2017）028号，自动化专业卓越工程师计划（ZYS2015004）;贵州省工业攻关项目（黔科合支撑[2019]2152）;物联网技术案例库（KCALK201708）。