基于RaspberryPi的車載空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周潔　孟強(qiáng)　李陽冬　王瑾

摘 要：空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)是在了解大氣污染狀況和提出治理措施中必不可少的環(huán)節(jié)，它在空氣污染及其保護(hù)中扮演著重要角色。提出一種基于Raspberry Pi的車載空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)以車輛為載體，采用Raspberry Pi（B+）數(shù)據(jù)處理單元，利用GPS定位技術(shù)、PM2.5等傳感技術(shù)和GPRS技術(shù)對城市道路空氣質(zhì)量狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的檢測與上傳，該系統(tǒng)具有低成本、實(shí)時(shí)性強(qiáng)且精度高的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：空氣質(zhì)量檢測；Raspberry Pi；GPS；PM2.5

中圖分類號(hào)：TN107 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）06-00-03

0 引 言

城市空氣檢測是城市環(huán)境保護(hù)和治理必不可少的前提，為了及時(shí)制定有效的污染防治措施，須對大氣環(huán)境狀況有著全面具體的了解，實(shí)時(shí)掌握環(huán)境污染程度?？諝赓|(zhì)量檢測可以實(shí)時(shí)高效的提供空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，辨識(shí)空氣污染程度，預(yù)報(bào)空氣質(zhì)量變化趨勢，預(yù)防較為嚴(yán)重的污染事件發(fā)生。

目前，在環(huán)境空氣質(zhì)量檢測方面主要采用兩種方法：一種是傳統(tǒng)的人工取樣分析法。其首要弊端是實(shí)時(shí)性差，且檢測結(jié)果容易受人為影響而產(chǎn)生較大偏差；另一種是采用國外進(jìn)口的自動(dòng)化大氣環(huán)境監(jiān)測站系統(tǒng)進(jìn)行在線監(jiān)測。雖然此設(shè)備可以準(zhǔn)確的對大氣環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測分析，但它的不足之處在于價(jià)格昂貴、運(yùn)營成本高、難以維護(hù)和移動(dòng)性差等，所以很難在我國大面積普及。本文提出了一種基于Raspberry Pi的車載空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)以車輛為載體，采用Raspberry Pi（B+）做數(shù)據(jù)處理單元，利用GPS定位技術(shù)和PM2.5等傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)對城市空氣質(zhì)量的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測與上傳，具有低成本、實(shí)時(shí)性強(qiáng)和高精度等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖1傳感器模組所示，本系統(tǒng)利用PM2.5傳感器模塊、一氧化碳傳感器模塊和溫濕度傳感器模塊實(shí)時(shí)采集當(dāng)前城市道路空氣中的PM2.5濃度值、一氧化碳濃度值和溫濕度值信號(hào)。將采集的數(shù)據(jù)傳向Raspberry Pi數(shù)據(jù)處理器進(jìn)行分析處理，同時(shí)通過GPS定位模塊精確地定位車輛位置信息。GPRS通信模塊可以將合并后的信息實(shí)時(shí)上傳到Azure云服務(wù)端，為有關(guān)部門以及用戶提供可靠的空氣質(zhì)量信息。系統(tǒng)開發(fā)有語音模塊，該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)移動(dòng)檢測過程中的實(shí)時(shí)人機(jī)語音交互。當(dāng)收到播報(bào)指令會(huì)自動(dòng)檢測語音播放數(shù)值，當(dāng)檢測到當(dāng)前環(huán)境污染較為嚴(yán)重時(shí)，語音模塊可以自動(dòng)播報(bào)污染提示信息。

圖1 車載空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)

2 硬件設(shè)計(jì)

（1）PM2.5傳感器模塊

PM2.5傳感器模塊采用MQ135傳感器模塊。其原理是當(dāng)傳感器檢測到當(dāng)前環(huán)境中的污染氣體時(shí)，其電導(dǎo)率就會(huì)隨著污染氣體的濃度增加而增大。同時(shí)利用外圍電路模塊將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對當(dāng)前城市道路空氣中PM2.5濃度值信息的采集處理。

（2）一氧化碳傳感器模塊

一氧化碳傳感器模塊采用MQ7傳感器模塊，實(shí)現(xiàn)對當(dāng)前城市道路空氣中一氧化碳含量信息的采集處理。圖2為一氧化碳傳感器模塊原理圖。

圖2 MQ7傳感器模塊原理圖

（3）溫濕度傳感器模塊

溫濕度傳感器模塊采用DHT11傳感器模塊，其內(nèi)部傳感器由一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC（負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻）測溫元件構(gòu)成，是一種復(fù)合式傳感器，它的輸出只有數(shù)字信號(hào)。所以被廣泛應(yīng)用于數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對當(dāng)前城市道路空氣中溫濕度信息的采集處理。圖3為溫濕度傳感器模塊原理圖。

圖3 DHT11傳感器模塊原理圖

（4）Raspberry Pi數(shù)據(jù)處理器

Raspberry Pi數(shù)據(jù)處理器采用Raspberry Pi（B+）型號(hào)，是一款基于博通ARM11 BCM2835的數(shù)據(jù)處理器。Raspberry Pi（B+）的CPU工作頻率為700 MHz，有4個(gè)USB口，自帶512 M RAM，40個(gè)GPIO（通用輸入/輸出）接口和音頻視頻接口等。通過GPIO接口連接各模塊，完成系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)檢測。圖4所示為傳感器模塊與Raspberry Pi連接示意圖。

圖4 傳感器模塊與Raspberry Pi連接示意圖

3 軟件設(shè)計(jì)

車輛啟動(dòng)前打開位于車輛外部頂端的車載空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)的開關(guān)，使該系統(tǒng)處于初始化狀態(tài)下，啟動(dòng)GPS定位模塊，當(dāng)車輛開始運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)對車輛位置進(jìn)行精確定位，同時(shí)啟動(dòng)ISD1820語音模塊，等待用戶發(fā)出有效的語音命令即執(zhí)行相應(yīng)操作。

車輛行駛過程中，該系統(tǒng)的Raspberry Pi（B+）數(shù)據(jù)處理器實(shí)時(shí)接收來自MQ135 PM2.5傳感器模塊、MQ7一氧化碳傳感器模塊和DHT11溫濕度傳感器模塊所采集到的當(dāng)前道路空氣中PM2.5濃度值、一氧化碳濃度值和溫濕度值信號(hào)，同時(shí)通過GPS定位模塊準(zhǔn)確定位車輛位置，將信息合并后再通過GPRS通信模塊實(shí)時(shí)向Azure云服務(wù)端上傳信息。圖5為該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程圖。

圖5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

Raspberry Pi（B+）數(shù)據(jù)處理器控制傳感器模組采集數(shù)據(jù)信息，溫濕度采集示例程序如下：

int Tem_val[5]={0，0，0，0，0}；

int Tem_read_val（）{

uint8_t l_state=HIGH；

uint8_t j=0，i；

uint8_t counter=0；

for（i=0；i<5；i++）

Tem_val[i]=0；

//傳感器初始化

pinMode（TEM_PIN，OUTPUT）；

digitalWrite（TEM_PIN，LOW）；

delay（10）；

digitalWrite（TEM_PIN，HIGH）；

delayMicroseconds（20）；

//接收采集數(shù)據(jù)

pinMode（TEM_PIN，INPUT）；

for（i=0；i

{

counter=0；

while（digitalRead（TEM_PIN）==l_state）

{

counter++；

delayMicroseconds（5）；

if（counter==255）

break；

}

l_state=digitalRead（TEM_PIN）；

if（counter==255）

break；

if（（i>=4）&&（i%2==0））{

Tem_val[j/8]<<=1；

if（counter>16）

Tem_val[j/8]|=1；

j++；

}

}

//輸出采集數(shù)據(jù)

if（（j>=40）&&（Tem_val[4]==（（Tem_val[0]+Tem_val[1]+Tem_val[2]+Tem_val[3]）& 0xFF）））

{

printf（"%d，%d＼n"，Tem_val[0]，Tem_val[2]）；

return 1；

}

else

return 0；

}

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)采用基于Raspberry Pi（B+）數(shù)據(jù)處理器進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過多方位的傳感器檢測和實(shí)時(shí)傳輸實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)、高精度的車載空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)。其檢測結(jié)果在城市局部空氣質(zhì)量評(píng)估、環(huán)保相關(guān)的交通政策制定、道路空氣污染控制與治理方面有著重要的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 聶邦勝.國內(nèi)外常用的空氣質(zhì)量模式介紹[J].海洋技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，27（1）：118-122.

[2] 李文勝. 基于樹莓派的嵌入式Linux開發(fā)教學(xué)探索[J]. 電子技術(shù)與軟件工程，2014（9）：219-220.

[3] 李成祥. 智能型室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測與控制系統(tǒng)[D].北京：北京交通大學(xué)，2011.

[4] 李龍棋，方美發(fā)，唐曉騰. 樹莓派平臺(tái)下的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)[J]. 閩江學(xué)院學(xué)報(bào)，2014（5）：67-72.

[5] 彭煜. 基于STM32的便攜式室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測器的研究[D].廣州：暨南大學(xué)，2013.

[6] 呂臻. 城市空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2014.

[7] 王冰，張承中. 大氣可吸入顆粒物 PM2.5研究進(jìn)展[J].中國科技信息，2009（8）：25-26.

[8] Brendan Horan 著. Raspberry Pi 樹莓派實(shí)作應(yīng)用[M]. 翟娟，等譯.北京：人民郵電出版社，2014.

[9] 馬劍偉. 電子鼻空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2010.

[10] 馬嫚，程鉛，陳慧，等. 基于信息融合技術(shù)的空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)[J]. 電子器件，2013，36（4）：554-558.

[11]馮志輝. 使用樹莓派實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 電子技術(shù)與軟件工程，2015（5）：85.