空氣顆粒物智能監(jiān)控系統(tǒng)研究與實現(xiàn)

張志通， 于 媛， 郭向鑫

(1.北華航天工業(yè)學(xué)院 電子與控制工程學(xué)院 河北 廊坊 065000；2.廊坊衛(wèi)生職業(yè)學(xué)院 河北 廊坊 065001)

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空氣顆粒物智能監(jiān)控系統(tǒng)研究與實現(xiàn)

張志通1， 于 媛2， 郭向鑫1

(1.北華航天工業(yè)學(xué)院 電子與控制工程學(xué)院 河北 廊坊 065000；2.廊坊衛(wèi)生職業(yè)學(xué)院 河北 廊坊 065001)

霧霾天氣嚴(yán)重影響我國交通，并對人體健康造成危害，研究在低成本內(nèi)對空氣質(zhì)量進(jìn)行有效的檢測，做到提前預(yù)防，課題結(jié)合PM2.5污染顆粒物的特征提出一種太陽能式多功能空氣檢測方案.該方案采用智能跟蹤太陽能高效發(fā)電，通過單片機(jī)對傳感器采集的信號進(jìn)行處理并采用顯示器顯示溫濕度值、PM2.5數(shù)值與變化曲線，LED燈提示不同空氣質(zhì)量狀態(tài).系統(tǒng)將數(shù)據(jù)通過EM310模塊遠(yuǎn)距離傳送至數(shù)據(jù)處理中心，通過因特網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)對空氣質(zhì)量進(jìn)行及時預(yù)警.

光學(xué)灰塵傳感器； STM8S103； 遠(yuǎn)程監(jiān)控； 信號處理

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的不斷發(fā)展，對能源的需求越來越多，石油、煤炭等資源在使用過程中經(jīng)過燃燒而排放的殘留物，大多含有有毒物質(zhì)從而造成空氣污染.近年來霧霾天氣襲擾我國北方地區(qū)，空氣污染嚴(yán)重.霧霾天氣首先影響能見度，影響道路交通；其次，霾在吸入人體呼吸道后易引發(fā)呼吸道疾患，誘發(fā)心血管疾病，嚴(yán)重會致死[1].如何做到節(jié)能減排和對霧霾天氣的實時監(jiān)控，是科研工作者關(guān)心的問題，也是關(guān)系到我國人民生活質(zhì)量與生存的問題.

1 總體設(shè)計方案

由于PM2.5是霧霾組成的主要成分，本課題結(jié)合單片機(jī)與太陽能技術(shù)，針對PM2.5的特征，并根據(jù)用戶需求提出一種低成本、多功能的設(shè)計方案.在太陽能電池供電的情況下，首先讓空氣在灰塵傳感器中心洞自由流過，傳感器定向發(fā)射LED光，通過檢測空氣中灰塵折射過后的光線來判斷灰塵的含量，并將檢測數(shù)據(jù)通過轉(zhuǎn)換模塊后與溫濕度傳感器檢測到的信號分別輸送至單片機(jī)不同端口，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并使用顯示器實時顯示溫濕度值、PM2.5數(shù)值與變化曲線，通過全彩LED燈4種顏色分別指示不同空氣質(zhì)量狀態(tài).系統(tǒng)可將多個監(jiān)測站點的PM2.5監(jiān)測數(shù)據(jù)通過EM310模塊遠(yuǎn)距離傳送至數(shù)據(jù)處理中心，通過因特網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)對指定地區(qū)的實時預(yù)警，如圖1所示.

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 太陽能供電系統(tǒng)設(shè)計

為了做到有效地節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境和對可再生能源的高效利用，使用太陽能對該系統(tǒng)進(jìn)行供電.課題采用四象限探測器來感測當(dāng)前光源信號，通過單片機(jī)處理后，根據(jù)各象限上能量分布的比例，可計算出目標(biāo)的亮度中心位置.通過調(diào)整電機(jī)來控制太陽能電池板俯仰角和方位角，使太陽能電池板達(dá)到最佳位置，提高太陽能發(fā)電轉(zhuǎn)換效率.太陽能跟蹤發(fā)電系統(tǒng)如圖2所示.

圖1 空氣顆粒物智能監(jiān)控系統(tǒng)

圖2 太陽能跟蹤發(fā)電系統(tǒng)

2.2 傳感器與信號處理電路

由于空氣中顆粒物直徑差別很大，根據(jù)項目設(shè)計要求，本項目測量空氣中粉塵濃度采用灰塵傳感器GP2Y1010AU0F.該傳感器由紅外線發(fā)光二極管(IRED)和一個光電管成對角布置而成塵埃的反射光[2]，具有尺寸小、重量輕、易安裝等優(yōu)勢，能夠靈敏檢測直徑0.8～2.5 μm以下的粒子，可以感知煙草產(chǎn)生的煙氣和花粉，房屋粉塵等，根據(jù)顆粒周圍散射和吸收的相對衰減率原理，光強(qiáng)將被衰減，從而檢測出單位體積粒子的絕對個數(shù).

圖3 灰塵傳感器信號處理電路

由于LED引腳必須接收一個較低的電壓，所以傳感器3口通過接PNP型晶體管SI2302對LED進(jìn)行通電，與單片機(jī)18腳連接.反射后的光能量轉(zhuǎn)換的電信號通過傳感器5口直接傳送至單片機(jī)20腳，利用STM8S103內(nèi)置的A/D模塊可對信號進(jìn)行高速采集和處理，如圖3所示.

2.3 STM8S103處理器

STM8是ST意法半導(dǎo)體針對工業(yè)應(yīng)用和消費電子開發(fā)而推出的8位單片機(jī).STM8的8位微控制器平臺基于高性能8位內(nèi)核，具有哈佛結(jié)構(gòu)，并帶有3級流水線，擴(kuò)展指令集，對倒灌電流有非常強(qiáng)的承受能力，內(nèi)部自帶A/D轉(zhuǎn)換模塊，低功耗等優(yōu)點.該平臺采用STM8的130 nm嵌入式非易性存儲器專有技術(shù).STM8S103通過增強(qiáng)型堆棧指針運算、先進(jìn)的尋址模式和新指令實現(xiàn)快速、安全的開發(fā)，較市場上同種類的單片機(jī)具有價格低、功能強(qiáng)、使用簡單、開發(fā)方便等優(yōu)勢.基于以上STM8系列單片機(jī)的優(yōu)勢，本項目采用具有20引腳的STM8S103實現(xiàn)產(chǎn)品的研發(fā)與設(shè)計.

2.4 溫濕度傳感器

DHT11，是一款將數(shù)字采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)相結(jié)合的數(shù)字溫濕度復(fù)合傳感器，它在溫濕度檢測方面比DS18B20傳感器增加了濕度檢測功能，具有更高的可靠性和穩(wěn)定性.傳感器內(nèi)部包含一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，DHT11第3引腳可以與高性能單片機(jī)相連接，將檢測出的溫濕度信號輸送至單片機(jī)的10腳，如圖4所示.

2.5 顯示部分

LCM12864液晶顯示器具有功耗低、體積小、重量輕、超薄等許多其他顯示器無法比擬的優(yōu)點，近幾年來被廣泛用于單片機(jī)控制的智能儀器、儀表和低功耗電子產(chǎn)品中.根據(jù)在液晶屏上顯示溫濕度值、PM2.5數(shù)值與PM2.5濃度變化曲線的要求，單片機(jī)STM8S103對采集的信號進(jìn)行處理并使用LCM12864進(jìn)行實時顯示.通過綠、藍(lán)、紅、白4種顏色LED燈分別顯示當(dāng)前空氣質(zhì)量良好、輕度污染、中度污染和重度污染4種空氣質(zhì)量狀態(tài)[3]，電路圖如圖4.

圖4 顯示電路連接圖

2.6 無線通信功能

無線通信功能是實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的關(guān)鍵所在，需要在不同環(huán)境下準(zhǔn)確地將檢測數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)處理中心.本課題采用的EM310模塊具有GSM/CDMA通信模式、四頻、體積小的特點，并且支持內(nèi)嵌協(xié)議，外形、引腳、固定孔完全兼容EM310模塊特征，具有更高穩(wěn)定性.根據(jù)課題要求，本文設(shè)計了可靠的外圍電路、擴(kuò)展的端口，使其通過串口通信方式與STM8S103型單片機(jī)TXD、RXD進(jìn)行連接,如圖4所示.單片機(jī)通過程序使得EM310模塊去執(zhí)行命令，檢測出的PM2.5與溫濕度數(shù)據(jù)通過EM310模塊之間開啟的GPRS和手機(jī)短信互通方式，采用天線接口可以遠(yuǎn)距離傳輸至手機(jī)，通過手機(jī)收發(fā)短信進(jìn)行查詢，也可以通過因特網(wǎng)技術(shù)對空氣質(zhì)量進(jìn)行查詢[4-6].

3 軟件程序設(shè)計

本系統(tǒng)以STM8S103單片機(jī)為核心，而STM8S103單片機(jī)屬于微型單片機(jī)系列，所以選擇與之兼容的高級開發(fā)語言軟件 Keil uVision2進(jìn)行編程.Keil uVision2使用接近于傳統(tǒng)C語言的語法來開發(fā)程序，與匯編相比，在功能、結(jié)構(gòu)、可讀性、可維護(hù)性上C語言具有明顯的優(yōu)勢.由于C51已被完全集成到 uVision2的集成開發(fā)環(huán)境中，使得該集成開發(fā)環(huán)境包含C編譯器、匯編器、實時操作系統(tǒng)、庫管理器和仿真調(diào)試器等工具，而讓在線編程更加容易.

根據(jù)硬件電路的設(shè)計，PM2.5顆粒物、溫濕度檢測通過以下3個步驟來實現(xiàn)：1) 打開整個系統(tǒng)，進(jìn)入初始化，程序檢查灰塵傳感器、溫濕度傳感器是否響應(yīng)，如果傳感器不響應(yīng)則返回；2) 單片機(jī)分別讀取PM2.5顆粒物值、溫濕度數(shù)值并傳送至液晶顯示屏，如果采集的PM2.5顆粒物值、溫濕度數(shù)值正常，重復(fù)執(zhí)行；3) 如果采集的數(shù)值不正常，經(jīng)過驅(qū)動報警，結(jié)束檢測，程序流程如圖5所示.

對EM310模塊通信通過以下3個步驟來實現(xiàn)：1) 打開整個系統(tǒng)，進(jìn)入單片機(jī)初始化，并將EM310模塊初始化；2) 初始化成功后，檢測TCP/IP數(shù)據(jù)鏈接是否成功，如果成功鏈接則會執(zhí)行數(shù)據(jù)接收，不成功則返回；3) 檢測接收數(shù)據(jù)內(nèi)容是否合法，如果合法則進(jìn)行相應(yīng)指令回復(fù)，如果不合法則結(jié)束，程序流程如圖6所示.

圖5 PM2.5、溫濕度檢測軟件流程圖

圖6 EM310模塊通信流程圖

4 互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控

首先將兩個EM310模塊插上SIM卡，開啟GPRS或GSM方式，模塊上電時信號燈會開始閃爍，證明EM310模塊正常啟動，SIM900模塊會尋找信號.此時信號燈閃爍的頻率為每秒1次，手機(jī)卡正常通訊的情況下，EM310找到信號后閃爍的頻率為每2秒1次.

圖7 互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控實例

整個系統(tǒng)根據(jù)惠民工程需要，通過GPRS或GSM方式開啟EM310模塊通信，將多個不同點的PM2.5檢測裝置監(jiān)測的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)上傳到中心站平臺，平臺處理后的監(jiān)測數(shù)據(jù)及時通過移動網(wǎng)絡(luò)傳輸至云計算平臺或采用以太網(wǎng)技術(shù)與因特網(wǎng)相連接，用戶可以通過因特網(wǎng)進(jìn)行實時查詢不同地點的空氣狀態(tài)，實現(xiàn)對指定地區(qū)的實時預(yù)警.通過互聯(lián)網(wǎng)輸入本單位名稱即可查詢當(dāng)前空氣質(zhì)量狀態(tài)[5]，如圖7所示.

5 結(jié)束語

通過大量實際測試表明，該系統(tǒng)在太陽能供電的情況下，能夠?qū)Ξ?dāng)前空氣質(zhì)量進(jìn)行多功能顯示，使人們了解當(dāng)前空氣質(zhì)量的污染程度.項目優(yōu)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計，增強(qiáng)了抗干擾性能與遠(yuǎn)距離收發(fā)功能，實現(xiàn)了對PM2.5與溫濕度的遠(yuǎn)程查詢與監(jiān)控功能.為了有效保護(hù)發(fā)明創(chuàng)造成果，本項目已經(jīng)申請了國家發(fā)明專利，有助于推動產(chǎn)品成果的轉(zhuǎn)換.

[1] 李旭芳，初鈞晗，于令達(dá)，等.北京市城區(qū)單監(jiān)測點PM2.5質(zhì)量濃度變化特征[J].北京師范大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2011,47(3)：258-261.

[2] 鄭剛，張志偉，蔡小舒，等. 濃度及粒度的光散射在線測量[J].中國激光, 1998,25 (3) :285-288.

[3] 李維提，郭強(qiáng).液晶顯示應(yīng)用技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2006.

[4] 宋向東，宋宗偉．監(jiān)測過程均值小的偏移的綜合控制圖[J]．鄭州大學(xué)學(xué)報：理學(xué)版，2014，46(1)：49-53.

[5] 崔姍，胥俊巖，趙國生，等．基于LabVIEW供電質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J]．鄭州大學(xué)學(xué)報：理學(xué)版，2014，46(3)：107-110.

[6] 王璦琿，張強(qiáng)，王東云，等.基于滑模變結(jié)構(gòu)的IPMC跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計[J]．鄭州大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2014，35(6)：104-107.

Research and Realization of the Intelligent Monitoring System of Airparticulate Matter

ZHANG Zhi-tong1, YU Yuan2, GUO Xiang-xin1

(1.CollegeofElectronicandControlEngineering，NorthChinaInstituteofAerospaceEngineering，Langfang065000,China； 2.LangfangHealthVocationalCollege，Langfang065001,China)

Haze weather in vast area of China could bring traffic accidents and serious damage to human health. How to monitor the air quality and provide early warning at low cost is of vital importance. A multiple-function detection scheme was proposed based on the feature of PM2.5 particle matter. This scheme was powered by intelligent solar energy tracking system. The optical dust sensor was utilized to detect PM2.5. The signal of PM2.5, temperature, and humidity collected by the sensor would be processed by the micro-controller, and the result and changing curve would be displayed by screen and LED lights. Data also could be transmitted to data processing center by EM310, and the results could be published by website for early warning.

optical dust sensor; STM8S103; remote monitoring; signal processing

2014-10-28

河北省科技廳青年基金項目，編號13210332；廊坊市科技局科技支撐項目，編號2014011059.

張志通(1983-)，男，河北滄州人,實驗師，碩士，主要從事電子與檢測技術(shù)研究，E-mail:287292008@qq.com.

TN911.7

A

1671-6841(2015)01-0082-05

10.3969/j.issn.1671-6841.2015.01.018