張燕

摘 要：當前的環(huán)境質(zhì)量越來越差，空氣質(zhì)量已成為人們關注的焦點，而官網(wǎng)提供的是大范圍區(qū)域型數(shù)據(jù)，針對現(xiàn)有的空氣質(zhì)量檢測儀無法滿足對空氣質(zhì)量多點實時監(jiān)測的缺陷，為此，文中設計了一種通過WiFi無線傳輸?shù)目諝赓|(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對當前PM2.5、溫度、濕度的檢測，并通過WiFi實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，提供物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測服務，非常適合家居、商場、酒店等場所進行空氣質(zhì)量實時檢測。

關鍵詞：PM2.5；溫度；濕度；數(shù)據(jù)傳輸；物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）06-00-02

0 引 言

近年來，我國大多數(shù)城市出現(xiàn)了嚴重的霧霾天氣，環(huán)境的空氣質(zhì)量問題越來越成為人們關注的焦點。導致霧霾天氣的罪魁禍首就是PM2.5。PM2.5即細顆粒物，是指環(huán)境空氣中空氣動力學當量直徑小于等于2.5 μm的顆粒物。它能較長時間懸浮于空氣中，其在空氣中含量濃度越高，就代表空氣污染越嚴重。雖然PM2.5只是地球大氣成分中含量很少的組分，但它對空氣質(zhì)量和能見度等有重要的影響。由于PM2.5能通過肺泡直接進入循環(huán)系統(tǒng)，其可影響人的心血管、呼吸、神經(jīng)系統(tǒng)等，導致血壓升高，動脈硬化，心律不齊等癥狀，所以對所處環(huán)境的PM2.5進行檢測是非常有必要的。

當前的空氣質(zhì)量檢測儀主要是對環(huán)境的PM2.5、溫度、濕度進行單點檢測，且官網(wǎng)數(shù)據(jù)也是大范圍的區(qū)域性數(shù)據(jù)，無法滿足對空氣質(zhì)量進行多點實時監(jiān)測及歷史數(shù)據(jù)分析的要求。并且傳統(tǒng)的有線傳輸布線復雜，受環(huán)境限制大，成本高，針對這些問題，本文提出了一種基于WiFi傳輸?shù)臄?shù)據(jù)服務型空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)對環(huán)境PM2.5、溫度、濕度的檢測，并可以上傳數(shù)據(jù)到物聯(lián)網(wǎng)平臺進行實時分析與歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能，具有很大的市場潛力。

1 系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)由空氣質(zhì)量檢測儀和物聯(lián)網(wǎng)平臺組成，以STM8S105K4單片機作為信號采集和數(shù)據(jù)處理的控制中心，并通過高精度的激光PM2.5傳感器采集空氣PM2.5含量，DHT11采集環(huán)境溫濕度信息，經(jīng)過單片機處理后在1602液晶上顯示當前環(huán)境的PM2.5含量以及溫濕度信息，并通過WiFi模塊連接路由器后將數(shù)據(jù)上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺進行實時監(jiān)測和記錄，系統(tǒng)設計框圖如圖1所示。

2 硬件設計

為了實現(xiàn)對環(huán)境PM2.5濃度和溫濕度的檢測和顯示，系統(tǒng)的硬件設計主要包括單片機控制模塊，溫濕度采集模塊，PM2.5采集模塊，液晶顯示模塊，WiFi數(shù)據(jù)傳輸模塊。

2.1 單片機控制核心

為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，盡可能的減少硬件成本，本系統(tǒng)選用STM8S105K4單片機作為控制核心，該系列芯片具有16 K字節(jié)的Flash程序存儲器，并且有7個A/D轉換通道，12個I/O口，工作電壓為5 V，擁有廣泛的適應性。在系統(tǒng)設計中，主要用到了單片機的A/D轉換，中斷I/O口，通信接口和SWIM接口對存儲器進行在線編程調(diào)試。

2.2 空氣質(zhì)量檢測模塊

在本系統(tǒng)中，空氣質(zhì)量的精確采集判斷非常重要，采用高精度激光PM2.5檢測傳感器，該傳感器一致性好，精度高，且有一個很大的優(yōu)勢，傳感器輸出的數(shù)據(jù)是和官方單位一致的μg/m?濃度。該傳感器采用激光檢測原理，由專用的激光模塊產(chǎn)生一束特定的激光，當顆粒物經(jīng)過時，其信號會被超高靈敏的數(shù)字電路模塊檢測到，通過對信號數(shù)據(jù)進行智能識別分析得到顆粒計數(shù)和顆粒大小，并根據(jù)專業(yè)的標定計數(shù)得到粒徑分布與質(zhì)量濃度轉換公式，最終得到跟官方單位同樣的質(zhì)量濃度。該傳感器可以分辨最小直徑達0.3 μm的顆粒，量程為0～999.9 μg/m?，工作電壓為5 V，工作電流為100 mA，且如果環(huán)境改變，響應時間小于10 s。由于可以直接得到顆粒的濃度，因此大大簡化了硬件電路的設計，并且精度高、工作穩(wěn)定、一致性好，性能非常優(yōu)異。

PM2.5計算公式為：

PM2.5（μg/m?）= （（PM2.5 高字節(jié)×256） + PM2.5 低字節(jié)）/10

2.3 溫濕度檢測模塊

為了保證檢測儀工作的可靠性和穩(wěn)定性，在系統(tǒng)中選用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器來檢測環(huán)境的溫度和濕度，DHT11是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器，傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，其濕度精度為±5%RH，溫度±2℃，量程濕度20～90%RH，溫度0～50℃。其體積小、功耗低、響應快、抗干擾能力強，可以應用到苛刻的環(huán)境中。

2.4 WiFi數(shù)據(jù)傳輸模塊

為了實現(xiàn)對環(huán)境的多點監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析查詢，在系統(tǒng)中通過WiFi無線傳輸來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺。在本設計中，WiFi模塊采用的是以ESP8266為核心的一款超低功耗的UART-WiFi透傳模塊，該模塊硬件接口豐富，可以實現(xiàn)PWM調(diào)控，串口透傳和GPIO控制功能，且支持STA、AP、STA+AP三種工作模式，可以實現(xiàn)串口CH340轉WiFi，工業(yè)透傳DTU，WiFi遠程監(jiān)控/控制，消防、安防智能一體化管理等，被廣泛應用于物聯(lián)網(wǎng)場合。

3 軟件設計

系統(tǒng)軟件主要實現(xiàn)的功能是將采集到的溫濕度信息和空氣指數(shù)信息進行分析，通過液晶顯示當前的環(huán)境信息，并將環(huán)境信息上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺。

系統(tǒng)初始化后，單片機將采集到的PM2.5濃度信息和溫濕度信息發(fā)送到單片機進行分析處理， 如果環(huán)境沒有改變則直接控制液晶顯示當前的環(huán)境信息，如果環(huán)境改變了則重新進行采集處理，最后將環(huán)境信息上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺，程序流程圖如圖2所示。

4 結 語

本文以空氣質(zhì)量的多點監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析為研究對象，從硬件設計和軟件設計兩方面詳細的分析了一種基于WiFi無線傳輸?shù)亩帱c式空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。在設計中，為了保證對空氣質(zhì)量的高精度檢測和智能化實現(xiàn)，采用激光空氣質(zhì)量檢測傳感器并結合DHT11數(shù)字式溫濕度傳感器，不僅實現(xiàn)了對環(huán)境空氣質(zhì)量和溫濕度信息的采集和顯示，還通過無線傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)的保存分析。通過檢測儀的大面積覆蓋，可以實現(xiàn)由點到面的覆蓋，除了官網(wǎng)的區(qū)域性數(shù)據(jù)外，還給大眾提供了多樣化的環(huán)境監(jiān)測樣本，促進了環(huán)境數(shù)據(jù)的透明化，讓大眾更好地知悉環(huán)境，健康生活。

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