基于手機(jī)的分布式空氣粉塵檢測(cè)系統(tǒng)

任凱旋+楊剛+高沖+徐鵬飛+陳一南

摘 要：在傳統(tǒng)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)中，設(shè)立區(qū)域監(jiān)測(cè)站往往存在設(shè)備昂貴，監(jiān)測(cè)點(diǎn)稀少，維護(hù)費(fèi)用大等缺點(diǎn)。針對(duì)這一問(wèn)題，文中提出了一種基于手機(jī)的分布式空氣粉塵檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用手機(jī)安卓系統(tǒng)搭載粉塵傳感器構(gòu)成便攜式空氣粉塵檢測(cè)裝置，利用大眾使用手機(jī)的廣泛性、數(shù)目龐大的多個(gè)該裝置構(gòu)成分布式測(cè)量體系，方便檢測(cè)各區(qū)域的用戶(hù)空氣狀況，再結(jié)合手機(jī)GPS定位數(shù)據(jù)，傳送至微信或網(wǎng)站的服務(wù)器，經(jīng)運(yùn)算得到更準(zhǔn)確的各區(qū)域空氣數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共享。該系統(tǒng)極具成本維護(hù)優(yōu)勢(shì)且便于應(yīng)用，空氣數(shù)據(jù)更有針對(duì)性。

關(guān)鍵詞：空氣質(zhì)量；分布式測(cè)量；GPS定位；網(wǎng)絡(luò)共享

中圖分類(lèi)號(hào)：TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）07-00-03

0 引 言

近年來(lái)，隨著工業(yè)化程度的不斷加深，我國(guó)各地PM2.5與PM10等粉塵顆粒物導(dǎo)致的霧霾天氣頻繁發(fā)生，如何更好地監(jiān)測(cè)與保護(hù)我們生存的空氣質(zhì)量，已經(jīng)成為迫切需要解決的問(wèn)題[1]。

傳統(tǒng)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)，往往都是在城市的各個(gè)區(qū)域分別設(shè)立有限個(gè)空氣監(jiān)測(cè)站來(lái)獲取該區(qū)域總體的空氣質(zhì)量指數(shù)[2，3]。因監(jiān)測(cè)站設(shè)備昂貴，這一方式的監(jiān)測(cè)布點(diǎn)往往很少很散，且所測(cè)數(shù)據(jù)并非人們所關(guān)心的身邊區(qū)域的具體數(shù)據(jù)，導(dǎo)致測(cè)量的數(shù)據(jù)不夠細(xì)致化，對(duì)區(qū)域環(huán)境的評(píng)估不夠精確化，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致區(qū)域環(huán)境的治理不夠細(xì)致靈活，沒(méi)有很強(qiáng)的針對(duì)性，同時(shí)對(duì)這些空氣監(jiān)測(cè)站的周期維護(hù)也費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

基于上述背景，我們獨(dú)辟蹊徑，采用了分布式測(cè)量的思想，提出基于手機(jī)外接一個(gè)小巧的低成本低精度的粉塵傳感器來(lái)檢測(cè)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)[4]，利用人們使用手機(jī)的廣泛性，當(dāng)大量用戶(hù)利用該裝置將自己身邊區(qū)域的空氣粉塵檢測(cè)數(shù)據(jù)與利用手機(jī)GPS定位得到的測(cè)量點(diǎn)的地理位置信息上傳至微信平臺(tái)或網(wǎng)站服務(wù)器后，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)匯總和處理，從而得到人們所關(guān)心區(qū)域的，具有代表性的，相對(duì)準(zhǔn)確的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)。同時(shí)，我們也利用現(xiàn)有的微信或網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，來(lái)實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量信息的共享，讓人們隨時(shí)隨地了解到最新的各個(gè)區(qū)域的空氣狀況，便于用戶(hù)選擇一個(gè)更加健康舒適的工作、生活或娛樂(lè)環(huán)境，該系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。用這樣的方法來(lái)嘗試解決傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)點(diǎn)稀少，樣本稀疏，針對(duì)性不強(qiáng)，監(jiān)測(cè)設(shè)備和維護(hù)成本高的弊端。另外，我們?cè)噲D通過(guò)開(kāi)發(fā)和使用這樣一個(gè)安卓手機(jī)APK應(yīng)用軟件，讓我們每一個(gè)人都參與進(jìn)來(lái)，不只是作為空氣數(shù)據(jù)的采集與提供者，更重要的是讓這種關(guān)注并參與環(huán)保的方式流行起來(lái)，使得每個(gè)人都將環(huán)保這種理念深入內(nèi)心。

本文將針對(duì)該系統(tǒng)，主要從系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，功能實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這三大部分進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 結(jié)構(gòu)組成

該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成分為手機(jī)外接粉塵濃度檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)，安卓手機(jī)的APK軟件開(kāi)發(fā)，以及微信平臺(tái)及網(wǎng)站的搭建共享這三大部分，其結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)組成圖

由圖2我們可以很清楚地看到數(shù)據(jù)流在各模塊中的傳輸過(guò)程：首先，手機(jī)通過(guò)我們開(kāi)發(fā)的APK軟件，一方面經(jīng)由藍(lán)牙串口模塊獲取Arduino nano[5]上從粉塵傳感器模塊得到的空氣質(zhì)量信息；另一方面直接從手機(jī)GPS模塊上獲取地理位置信息。然后將獲取到的兩種信息同時(shí)上傳到微信公眾平臺(tái)及網(wǎng)站上，進(jìn)行數(shù)據(jù)的匯總和處理后，手機(jī)可以獲取到平臺(tái)上各區(qū)域的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

1.2 功能劃分

從功能上來(lái)說(shuō)，我們可以將其分為空氣中粉塵濃度信息的檢測(cè)，藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸，地理位置信息的采集，位置與空氣質(zhì)量信息的上傳，基于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的信息共享五個(gè)主要功能：

（1）粉塵濃度信息的檢測(cè)主要測(cè)量的是單位體積內(nèi)顆粒物的數(shù)量，通過(guò)該數(shù)量與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較得到空氣質(zhì)量的最終評(píng)判。其功能是通過(guò)用Arduino程序開(kāi)發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)的[6]。

（2）通過(guò)藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)外接檢測(cè)設(shè)備與手機(jī)端之間的信息傳輸，使我們所檢測(cè)到的信息可以有效地顯示到我們的手機(jī)端，并做后續(xù)的處理。

（3）地理位置信息的采集可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)緯度數(shù)據(jù)的獲取，是通過(guò)APK軟件開(kāi)發(fā)利用接口函數(shù)從手機(jī)自身的GPS模塊來(lái)獲取的[7]。

（4）位置與空氣質(zhì)量信息的上傳是通過(guò)APK軟件開(kāi)發(fā)利用微信平臺(tái)的上傳接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。

（5）網(wǎng)絡(luò)是傳播信息的最好平臺(tái)，因此為了能夠使得該系統(tǒng)在社會(huì)層面上發(fā)揮最大的效果，我們注重利用網(wǎng)絡(luò)手段來(lái)構(gòu)建我們的信息發(fā)布平臺(tái)。主要做了專(zhuān)用網(wǎng)站以及微信公眾平臺(tái)，用來(lái)定時(shí)發(fā)布我們的空氣質(zhì)量信息，并且給出具有指導(dǎo)意義的建議。

2 功能實(shí)現(xiàn)

2.1 空氣粉塵檢測(cè)裝置硬件電路

該檢測(cè)裝置的空氣粉塵傳感器，我們選用的是夏普GP2Y1010AU0F粉塵傳感器，主控CPU采用開(kāi)源的Arduino nano子板，通過(guò)藍(lán)牙通信與手機(jī)進(jìn)行空氣質(zhì)量的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，相應(yīng)的硬件電路圖如圖3所示。

管腳說(shuō)明：

（1）Nano板：pin1（VCC）、pin2（GND）、pin23（A0）、pin22（D2）、pin24（GND）；

（2）藍(lán)牙：pin4（TXD）、pin5（RXD）、pin3（GND）、pin2（VCC）；

（3）傳感器：pin1（V-LED）、pin2（LED-GND）、pin3（LED）、pin4（S-GND）、pin5（Vo）、pin6（Vcc）。

實(shí)驗(yàn)用手機(jī)外接的空氣粉塵檢測(cè)裝置實(shí)物如圖4所示。

圖4 空氣粉塵檢測(cè)裝置實(shí)物圖

2.2 Arduino nano板的程序設(shè)計(jì)

Arduino語(yǔ)言建立在C/C++基礎(chǔ)上，內(nèi)核仍是基礎(chǔ)的C語(yǔ)言，Arduino語(yǔ)言只不過(guò)把AVR單片機(jī)（微控制器）相關(guān)的一些參數(shù)設(shè)置都函數(shù)化，不用我們?nèi)チ私馑牡讓?。因此，在一定程度上?jiǎn)化了我們編寫(xiě)程序的工作，只需要了解所調(diào)用的函數(shù)就能夠很快地去編譯并調(diào)試好相應(yīng)的功能代碼。而在要設(shè)計(jì)的空氣質(zhì)量（粉塵濃度）傳感器功能代碼這一塊，我們所要編寫(xiě)的程序主要是關(guān)于管腳的定義，相關(guān)延遲的設(shè)定，輸出與輸入接口的設(shè)定，以及根據(jù)傳感器說(shuō)明上電壓值和單位體積內(nèi)粉塵顆粒物數(shù)量值的轉(zhuǎn)化關(guān)系公式以及一些判定語(yǔ)句的編寫(xiě)。

2.3 安卓手機(jī)APK軟件開(kāi)發(fā)

APK軟件開(kāi)發(fā)根據(jù)功能可分為兩個(gè)部分：

（1）通過(guò)藍(lán)牙獲取空氣質(zhì)量信息。

關(guān)于藍(lán)牙我們?cè)谑謾C(jī)端的實(shí)現(xiàn)上必須要有一個(gè)自身藍(lán)牙是否打開(kāi)的判斷，然后搜索粉塵檢測(cè)裝置上的藍(lán)牙設(shè)備，直到最后才是藍(lán)牙設(shè)備與手機(jī)之間的通信和數(shù)據(jù)傳輸[8]。

（2）GPS地理位置信息的獲取。

在這一塊，當(dāng)我們需要使用Google Map的時(shí)候，就必須要使用谷歌地圖（Google Map）API接口函數(shù)的key，因此要先注冊(cè)一個(gè)開(kāi)發(fā)者key。然后還要產(chǎn)生開(kāi)發(fā)期間的MD5密鑰，并且需要在布局文件中增加MapView控件。而且由于我們的應(yīng)用需要調(diào)用Google Map的數(shù)據(jù)，以及通過(guò)手機(jī)的GPS獲得相關(guān)地理位置數(shù)據(jù)，所以我們必須在Android的Manifest文件中進(jìn)行權(quán)限設(shè)置。

2.4 微信平臺(tái)和網(wǎng)站的搭建共享

微信平臺(tái)的搭建共享，因?yàn)樵谄浯罱〞r(shí)騰訊給出了具體的向?qū)Ш椭改?，所以在此不做贅述，這里只做一個(gè)功能的介紹。首先我們的微信平臺(tái)會(huì)統(tǒng)計(jì)所有采集來(lái)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)算法處理[9]，然后將得到的數(shù)值在微信平臺(tái)及網(wǎng)站上定時(shí)發(fā)布[10]。用戶(hù)可以利用微信等訪問(wèn)這些區(qū)域的空氣數(shù)據(jù)。除此之外我們還會(huì)根據(jù)我們檢測(cè)到的環(huán)境和空氣數(shù)據(jù)信息為用戶(hù)推薦一些適合休閑娛樂(lè)的區(qū)域作為參考。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

我們選取了三種不同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，對(duì)該空氣檢測(cè)裝置和整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了多次測(cè)試，平均后得到相應(yīng)的空氣質(zhì)量PPM值，如表1所列。

表1 三種實(shí)驗(yàn)環(huán)境下空氣檢測(cè)PPM值

實(shí)驗(yàn)環(huán)境 PPM值 等級(jí)評(píng)判

學(xué)校操場(chǎng) 578 正常

網(wǎng)吧 3 782 差

施工工地 6 782 差

通過(guò)測(cè)試結(jié)果可以看出，數(shù)據(jù)和真實(shí)生活感受相符，對(duì)于空氣中粉塵顆粒物的濃度，學(xué)校操場(chǎng)室外為正常，網(wǎng)吧空氣質(zhì)量因室內(nèi)封閉且抽煙人多而變差，施工工地因現(xiàn)場(chǎng)操作揚(yáng)塵因而空氣質(zhì)量是最差的，說(shuō)明該空氣檢測(cè)裝置和系統(tǒng)可以正確檢測(cè)出某個(gè)區(qū)域的空氣質(zhì)量狀況。

4 結(jié) 語(yǔ)

手機(jī)是現(xiàn)代通信最普遍的方式，對(duì)于生活在現(xiàn)代社會(huì)中的人，手機(jī)早已經(jīng)演化成我們生活中不可或缺的一部分，而且手機(jī)的功能越來(lái)越強(qiáng)大，為手機(jī)搭載各種不同的傳感器早已經(jīng)不再新鮮。因此，我們所設(shè)計(jì)的為手機(jī)搭載空氣質(zhì)量檢測(cè)傳感器在技術(shù)上完全是可行的，在制作工藝上也并不復(fù)雜。當(dāng)然，如果傳感器能做的更小一些，我們完全可以將傳感器內(nèi)嵌到手機(jī)里，使產(chǎn)品更加完美。

另外，我們采用分布式測(cè)量的新思路，用低成本的粉塵檢測(cè)器件實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的收集，通過(guò)服務(wù)器平臺(tái)統(tǒng)計(jì)處理大量類(lèi)似數(shù)據(jù)，以數(shù)量換精度，可以得到人們所需要的身邊的相對(duì)準(zhǔn)確的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)。由于手機(jī)的普遍性，使所測(cè)量的數(shù)據(jù)更加龐大細(xì)致，如果將該海量數(shù)據(jù)作為一個(gè)環(huán)境治理的參考依據(jù)，可以使治理的區(qū)域劃分的更加具體，使環(huán)境治理的方案做的更加細(xì)致，使治理的對(duì)象和手段更具針對(duì)性和多樣化。

通過(guò)我們監(jiān)測(cè)的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，人們可以方便地了解到自己身邊位置的有針對(duì)性的具體空氣信息，人們還可以隨時(shí)隨地的查詢(xún)即將前往區(qū)域的空氣信息。我們還可以為用戶(hù)提供更健康更環(huán)保的區(qū)域場(chǎng)所作為參考選擇，也可以以社交網(wǎng)絡(luò)的方式將我們所處區(qū)域的空氣質(zhì)量信息分享到好友圈?？梢灶A(yù)見(jiàn)，當(dāng)手機(jī)監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量成為一種習(xí)慣一種風(fēng)尚時(shí)，也就意味著越來(lái)越多的人正在習(xí)慣性的關(guān)注著我們身邊所處的環(huán)境，那么當(dāng)這一天到來(lái)的那一刻，我們的環(huán)境一定會(huì)更加美好。

參考文獻(xiàn)

[1]孫秀艷.2013年74個(gè)城市空氣質(zhì)量狀況報(bào)告[N].人民日?qǐng)?bào)，2014-3-26.

[2]丁勝，馮雪.淺論空氣質(zhì)量檢測(cè)方法[J].污染防治技術(shù)，2013，26 （1）：45-46.

[3]中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站.《環(huán)境空氣顆粒物（PM10和PM2.5）連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測(cè)方法》[S].2013-7-30.

[4]夏普公司.夏普GP2Y1010AU0F粉塵傳感器產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)[R].https：//www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/gp2y1010au_e.pdf.

[5] MASSIMO Banzi.愛(ài)上Arduino[M].于欣龍，郭浩赟，譯.北京：人民郵電出版社，2012.

[6] RETO Meier. Android 4.高級(jí)編程（第三版）[M].佘建偉，趙凱，譯.北京：清華大學(xué)出版社，2013.

[7]李剛.瘋狂java講義（第二版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[8]GREG Milette， ADAM Stroud. Android傳感器高級(jí)編程[M].裴佳迪，譯.北京：清華大學(xué)出版社，2013.

[9]戴江.環(huán)境空氣質(zhì)量狀況分析[J].中國(guó)科技縱橫，2010（15）：20-21.

[10]張新曼.精通JSP-WEB開(kāi)發(fā)技術(shù)與典型應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2007.