劉銳+童星+周通

摘 要：空氣質(zhì)量是當(dāng)前社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，針對(duì)空氣質(zhì)量檢測(cè)的方法也多種多樣。文中提出一種基于嵌入式平臺(tái)的便攜式空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，以Raspberry Pi作為上位機(jī)，配合高精度傳感器和GPS定位模塊，對(duì)所處環(huán)境的空氣質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)并顯示，配合數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)維護(hù)。

關(guān)鍵詞：空氣質(zhì)量檢測(cè)；Raspberry Pi；PM2.5/PM10；GPS；數(shù)據(jù)庫(kù)

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）12-00-02

0 引 言

近幾年，環(huán)境問題成為了社會(huì)的焦點(diǎn)話題。對(duì)大眾而言，空氣質(zhì)量[1]更是每天關(guān)注的重點(diǎn)。大氣污染所產(chǎn)生的PM2.5/PM10顆粒物及廠房建設(shè)裝修所產(chǎn)生的甲醛等有毒氣體都會(huì)對(duì)人類的身體健康造成危害。因此對(duì)空氣質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)是治理空氣污染、改善空氣環(huán)境的有力手段。當(dāng)前各地區(qū)天氣預(yù)報(bào)以及App軟件都會(huì)對(duì)城市地區(qū)的空氣質(zhì)量進(jìn)行播報(bào)，做到讓用戶心中有數(shù)。但考慮到身處環(huán)境的不同及各場(chǎng)所條件的多樣性，一款便攜式空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)無(wú)疑更方便有需求的用戶使用。

本設(shè)計(jì)提出的空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，采用Raspberry Pi[2]作為嵌入式平臺(tái)上位機(jī)，配合高精度傳感器對(duì)空氣參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，并將結(jié)果實(shí)時(shí)顯示在LCD顯示屏上供用戶查看。平臺(tái)內(nèi)置GPS模塊，配合數(shù)據(jù)庫(kù)，可將采集的數(shù)據(jù)配合時(shí)間、地點(diǎn)等信息一同存檔，以備后續(xù)進(jìn)一步分析使用。該系統(tǒng)小巧便攜，功耗較低，智能化程度高，便于后期系統(tǒng)維護(hù)以及功能擴(kuò)展。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 硬件組成

本設(shè)計(jì)的上位機(jī)Raspberry Pi是一款小型的基于嵌入式平臺(tái)的智能電腦，整體大小類似充電寶，但憑借強(qiáng)大的處理能力可以執(zhí)行其他PC主機(jī)的基本功能。Raspberry Pi的CPU工作頻率為700 MHz，主板周圍有USB接口及以太網(wǎng)接口、HDMI接口，便于連接外部設(shè)備。同時(shí)在Raspberry Pi的主板上還有豐富的GPIO口（General Purpose Input Output，GPIO）[3]，支持多種協(xié)議，方便用戶與下位機(jī)及相關(guān)設(shè)備連接。正因?yàn)槠潴w積小、功耗低以及性能強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，此開發(fā)板在物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式開發(fā)中被廣泛采用。本文選用B+版本，相比早期版本，此款內(nèi)置了40個(gè)GPIO口，增加的接口也為產(chǎn)品帶來了更大的擴(kuò)展空間。系統(tǒng)連接示意圖如圖1所示。所有擴(kuò)展設(shè)備均通過GPIO口連接并使用。

根據(jù)設(shè)計(jì)需要，系統(tǒng)采用PMS5003傳感器模塊對(duì)空氣中的PM2.5/PM10粉塵含量進(jìn)行采集，一方面，PMS5003傳感器利用激光散射原理，顆粒物分辨精度可達(dá)1 μg/m?；另一方面，其采集的數(shù)據(jù)可以直接通過串口發(fā)送，無(wú)需A/D轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)采用SHT30-DIS模塊對(duì)溫濕度進(jìn)行采集。該傳感器內(nèi)含熱敏電容，穩(wěn)定性好，數(shù)據(jù)精度高，同時(shí)還可使用I2C協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。而對(duì)于甲醛、甲苯等VOC氣體的檢測(cè)則采用常見的CJMCU-1100傳感器。

為了實(shí)現(xiàn)直觀的結(jié)果輸出，并方便用戶觀察記錄周邊空氣質(zhì)量，本設(shè)計(jì)采用LCD1602作為顯示輸出設(shè)備。同時(shí)為了滿足記錄測(cè)量地點(diǎn)數(shù)據(jù)的需求，將NEO-6M定位模塊作為GPS模塊一同集成到整體系統(tǒng)中。整套系統(tǒng)可以通過直連USB充電器或充電寶啟動(dòng)運(yùn)行。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

Raspberry Pi支持多種操作系統(tǒng)，用戶可以自行選擇并安裝。為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定易用，本設(shè)計(jì)在搭建軟件環(huán)境伊始就選用了官方發(fā)布的定制系統(tǒng)Raspbian[4]。此款系統(tǒng)基于Linux核心，針對(duì)Raspberry Pi開發(fā)定制，支持多種編程語(yǔ)言。本設(shè)計(jì)主要采用Python[5]編程語(yǔ)言開發(fā)程序，以實(shí)現(xiàn)軟件功能。同時(shí)為了滿足空氣質(zhì)量檢測(cè)裝置實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)的要求，配合選取SQLite[6]數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理記錄。SQLite與其他常用數(shù)據(jù)庫(kù)相比，資源占用較小，基本功能齊全，非常適合嵌入式系統(tǒng)做數(shù)據(jù)維護(hù)使用。

檢測(cè)儀啟動(dòng)后，會(huì)初始化所連接的傳感器模塊、LCD顯示屏以及GPS模塊。在各模塊正常啟動(dòng)并與上位機(jī)建立正常連接之后，系統(tǒng)便開始檢測(cè)空氣質(zhì)量。系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

借助與Raspberry Pi連接的各檢測(cè)傳感器構(gòu)成的檢測(cè)電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣中相關(guān)參數(shù)的采集與處理，具體包括PM2.5/PM10顆粒物含量、溫濕度、甲醛含量等。經(jīng)驗(yàn)證，若處理結(jié)果正確，則系統(tǒng)會(huì)繼續(xù)請(qǐng)求獲取GPS定位信息，然后將之前的相關(guān)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)通過顯示屏以文字形式輸出，以展示當(dāng)前環(huán)境下PM2.5/PM10顆粒物含量、溫濕度參數(shù)以及甲醛氣體含量，提示用戶當(dāng)前空氣質(zhì)量等級(jí)；若驗(yàn)證處理結(jié)果失敗，則回到初始化環(huán)節(jié)重新開始。系統(tǒng)成功采集數(shù)據(jù)后可將其上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)。除了相關(guān)空氣質(zhì)量參數(shù)和GPS定位信息外，時(shí)間戳和系統(tǒng)環(huán)境等相關(guān)數(shù)據(jù)都可以保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。后期如果用戶需要對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)和研究，可通過上位機(jī)獲得。

2 結(jié) 語(yǔ)

本設(shè)計(jì)采用Raspberry Pi作為嵌入式上位機(jī)，配合多重傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)空氣質(zhì)量的實(shí)時(shí)測(cè)量并輸出顯示，同時(shí)配合GPS模塊以及數(shù)據(jù)庫(kù)將位置等相關(guān)信息進(jìn)行整合保存。在實(shí)際測(cè)試中，本系統(tǒng)實(shí)測(cè)精度高，穩(wěn)定性好，GPS定位迅速、準(zhǔn)確。測(cè)量結(jié)果對(duì)于研究和檢測(cè)室內(nèi)外空氣環(huán)境質(zhì)量具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]岳玎利，謝敏，周炎，等.環(huán)境空氣質(zhì)量新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)珠三角區(qū)域站空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)的影響[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2013，29（5）：38-42.

[2]王江偉，劉青.玩轉(zhuǎn)樹莓派[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 2013：1-95.

[3] RPi Low-level peripherals[J/OL].2013. http：//elinux.org/RPi_Low-level_peripherals.

[4]柯博文.樹莓派（Raspberry Pi）實(shí)戰(zhàn)指南[M].北京：清華大學(xué)出版社， 2015：8-19.

[5] MAGNUS LIE HETLAND.Python 基礎(chǔ)教程[M].北京：人民郵電出版社， 2010：1-45

[6]倪天龍，張賢高，王培.數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2005（10）：35-37.

[7]周潔，孟強(qiáng)，李陽(yáng)東，等.基于Raspberry Pi的車載空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2015，5（6）：13-15.

[8]李敏瑤，王鵬宇，陳志佳，等.基于嵌入式的PM2.5檢測(cè)器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2017，7（3）：27-29.endprint