基于WiFi远程检测与传输PM2.5数值检测仪设计

郑阳 陈美玲 李欣鹏 陈帅

摘 要：限于现有的PM2.5浓度检测仪器品种单一，交互数据远程可视化传输差等特点，结合单片机技术和无线通信技术，提出一种基于WiFi远程检测与传输PM2.5数值检测仪设计方案。该设计采用工业技术中常用的夏普光学灰尘传感器进行数据采集，以串口工作方式将数据传输至MCU，同时结合单片机最小系统进行分析和算法处理。处理后的数据经MCU以WiFi方式传输至手机APP。该设计与传统的仪器相比，测量精度达

0.5 V/0.1 mg/m3，具有较强的数据远程可视化传输能力，且制作成本低，方便多种场合使用，完全可满足人们对于生活环境质量的要求。

关键词：WiFi;手机APP;PM2.5;检测仪器;MCU;蓝牙

中图分类号：TP39;TH89文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）08-00-02

0 引 言

近年来，我国多省份发生雾霾天气，北京、南京、重庆等城市雾霾污染情况尤为严重，持续的雾霾天气容易造成严重的交通事故，并为人们的日常学习、生活带来巨大的影响，严重者甚至会影响身体健康[1]。针对以上问题，目前研发的相关检测仪器包括HANDHELA 3016 IAQ空气质量PM2.5检测仪、博华康生PM2.5检测仪、博朗通空气检测仪、汉王霾表空气检测仪、贝立特测试仪器、MC妙创多功能空气检测仪等，但通过对比以上空气检测仪器，发现多数产品价格偏高，交互数据远程可视化传输差，部分产品甚至需要生产厂商或者专业技术人员进行操作，导致普及性较差，无法满足用户需求[2-5]。

1 总体设计

系统包括MCU处理器模块、电源模块、传感器、串口蓝牙模块、ESP8266串口WiFi模块及LCD1602显示屏模块，结构如图1所示。以单片机为主控，夏普光学粉尘传感器检测的数据通过串口传输给单片机，单片机处理后经LCD1602显示并通过WiFi将数据传输至手机APP，由手机APP进行处理显示。

2 硬件设计

系统主要包括电源座模块、ESP8266串口WiFi模块、LCD1602显示屏模块、夏普光学粉尘传感器模块、串口蓝牙模块，设计的仪器实物如图2所示。将一个红外发光二极管和光电晶体管通过对角布置，以检测空气中的灰尘反射光，从而更好地使夏普光学粉尘传感器模块检测当前环境中PM2.5的含量，传感器通过杜邦线与单片机相连，使单片机能够控制显示屏显示当前环境的PM2.5数值，同时将数值通过ESP8266串口WiFi模块传递到事先设计的用户APP上。

2.1 WiFi模块的选取

ESP8266是Ai-Thinker公司推出的一款无线WiFi模块，可与单片机通过串口通信，利用WiFi传输数据，并通过UART接口由Arduino发送AT命令控制其功能[6]。ESP8266有两种工作模式，分别是Station模式以及AP模式，Station模式用来连接无线路由器进行工作;AP模式则将ESP8266作为热点由手机连接（或无线路由器）进行工作。笔者采取AP模式实现远程传输功能。

2.2 传感器的选取

夏普光学粉尘传感器（GP2Y1014AU0F）检测极细颗粒的效果较好，如香烟烟雾等，它是常用的空气净化器系统。该传感器具有极低的电流消耗（最大20 mA），可搭载高达

DC 7 V的传感器。输出的模拟电压正比于所测得的粉尘浓度，敏感性为0.5 V/0.1 mg/m3。

2.3 电路

设计电路分为如下两部分：

（1）用来检测外界PM2.5含量值的检测电路;

（2）通过WiFi传输数据給用户并将数值显示在数字型液晶显示屏的显示电路。

检测电路主要由电源插座、传感器、单片机构成，如图3所示。

3 软件设计

移动客户端的主要功能是显示来自单片机的实时数

据[7-10]。移动用户端的APP可用于实现远程监测，通过手机及仪器，用户可以采集各环境中的PM2.5数值而无需在场所安装固定设备来观察采集。手机APP页面可实时显示PM2.5数值的变化，使得仪器具有较高的实用价值。

客户端基于Android操作系统实现，通过搭建Eclipse软件开发环境来实现用户对系统的界面功能。在Android平台搭建客户端APP，为用户提供便捷的数据获取途径，不仅能够实现基于WiFi的实时数据采集，也可以为用户后期启停空气净化设备提供实时依据。

4 数据采集分析

仪器通过单片机技术，结合交互数据远程传输算法实现了数据的实时准确传输，将PM2.5浓度数据通过WiFi传输到手机APP。通过对前端平台地址的设置，可以正确读入实时的PM2.5检测数值，达到实时监测的目的，系统相对比较简洁，能够满足用户实时监测的需求。采用自研仪器与市面应用较多的博朗公司的检测仪，分别采集了某日南京奥体监测站点的PM2.5数据，见表1所列。

通过相关调研得到当天南京奥体监测站点PM2.5数值为49 mg/m3，自研仪器平均误差为2%，且在49 mg/m3上下浮动。通过数据比对，发现自研仪器的测量更加准确，数值波动较小，同理仪器也可在其他场所进行检测。

5 结 语

笔者采取了一种通过以STC89C52单片机为控制核心、多种模块及手机APP结合来实现远程检测与传输PM2.5数值功能的检测仪器，仪器经调试后能够实现对PM2.5浓度的实时检测及数据传输，可灵活应用于各个领域和普通家庭用户。该仪器测量变化波动小，误差小，比较接近实际情况，能够为检测日常环境中PM2.5的含量提供方便。本设计具有较强的数据远程可视化传输能力，制作成本低;监测仪除本身带液晶显示外，还可将所测参数送至智能手机等移动终端，方便对数据进行存储、查询，显示方式可随界面设计和功能设计而变化，具有多样化、个性化等特征。

注：本文通讯作者为陈美玲。

参 考 文 献

[1]商喆.智能家居的远程控制空气净化系统[D].大连：大连理工大学，2017.

[2]曲娜，谭志远，朱琴，等.手机APP无线通信环境监测系统设计[J].通讯世界，2018（7）：44-45.

[3]任春喜.智能家居室内环境监控系统设计与实现[D].北京：北京工业大学，2016.

[4]孙波，李爽.PM2.5检测方法及研究进展[J].山东化工，2015，44（9）：56-57.

[5] ZHOU W，YUAN X Y，ZHANG L，et al. Overexpression of HO-1 assisted PM2.5-induced apoptosis failure and autophagy related cell necrosis [J]. Ecotoxicology and environmental safety，2017，145（7）：605-614.

[6] ZHANG Y Z，WANG S Y，ZHU J，et al. Effect of atmospheric PM2.5 on expression levels of NF-κB genes and inflammatory cytokines regulated by NF-κB in human macrophage [J]. Inflammation，2018，41（3）：784-794.

[7]高昊.基于光散射原理的矿用激光粉尘浓度传感器[J].煤矿安全，2016（3）：98-100.

[8]周成，卢守舟.基于便携式监测仪的空气PM2.5浓度监测与分析[J].中国高新技术企业，2015（12）：84-85.

[9]李万军，申同强，刘倩.基于WiFi的PM2.5浓度检测仪器的设计

[J].信息记录材料，2017，18（3）：65-66.

[10]贾浩强，李耀.基于WiFi无线通信的温湿度检测节点设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2014（5）：70-72.