一種基于無線傳感網(wǎng)的PM2.5 檢測系統(tǒng)的設(shè)計

謝志平

（廣東省技師學(xué)院，惠州,516100）

0 引言

細(xì)顆粒物又稱細(xì)粒、細(xì)顆粒、PM2.5。常見的粉塵也就是PM2.5。PM2.5 是空氣質(zhì)量的重要指標(biāo)，PM2.5 粒徑小，面積大，活性強(qiáng)，易附帶有毒、有害物質(zhì)（例如，重金屬、微生物等），且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠(yuǎn)，因而對人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量的影響很大。所以PM2.5 的檢測就很重要，因此PM2.5 檢測儀成為環(huán)保監(jiān)測部門及很多工礦企業(yè)的必備品，市面上也出現(xiàn)了各種各形形色色的測試儀。

在國內(nèi)，現(xiàn)行的PM2.5 檢測方法有稱重法、β 射線吸收法、微量振蕩天平法，稱重法原理是將PM2.5 直接截留到濾膜上，然后用天平稱重。但是濾膜并不能把所有的PM2.5 都收集到，一些極細(xì)小的顆粒還是能穿過濾膜。只要濾膜對于0.3 微米以上的顆粒有大于99%的截留效率，就算是合格的。

β 射線吸收法是將PM2.5 收集到濾紙上，然后照射一束beta 射線，射線穿過濾紙和顆粒物時由于被散射而衰減，衰減的程度和PM2.5 的重量成正比。根據(jù)射線的衰減就可以計算出PM2.5 的重量。

本文使用的檢測PM2.5 傳感器原理是采用光學(xué)測塵原理，即朗伯特-比爾定律。測量光透過被測物質(zhì)后，由于散射吸收而使光強(qiáng)減弱，通過測定光束通過被測介質(zhì)前后的光強(qiáng)比之來定量粉塵濃度。將粉塵濃度轉(zhuǎn)換為電信號，然后通過信號放大器將電信號轉(zhuǎn)換為0 ～5V 的電壓信號，再通過單片機(jī)進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換，然后再通過無線模塊進(jìn)行發(fā)射。遠(yuǎn)端同樣通過無線模塊接收，單片機(jī)解碼，從而實(shí)現(xiàn)了信息的及時、準(zhǔn)確顯示和報警，在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)和生活中是具有廣泛的應(yīng)用推廣價值。

1 設(shè)計思路與方案

系統(tǒng)分主控部分和子節(jié)點(diǎn)部分。子節(jié)點(diǎn)部分采用STC12C5204AD 單片機(jī)，單片機(jī)將傳感器采集到的信息進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換后通過NRF2401L 無線模塊進(jìn)行發(fā)射。

主控部分采用STC12C5A32S2 單片機(jī)。通過紅外遙控器設(shè)定報警參考值，報警手機(jī)號碼等信息，此信息存入單片機(jī)EEPROM中，系統(tǒng)斷電后信息不會丟失。采用NRF2401L 無線模塊接收子節(jié)點(diǎn)發(fā)送的PM2.5 信息，解碼后，通過LCD12864 液晶顯示屏顯示所采集到的信息。如果采集到的空氣PM2.5 數(shù)值超過設(shè)定值，系統(tǒng)自動通過中文短信將報警信息發(fā)送到戶外LED 顯示屏，啟動聲光報警器。并撥打設(shè)定的用戶手機(jī)。

2 GP2Y1010AUOF 粉塵傳感器模塊硬件與軟件設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

GP2Y1010AUOF 粉塵傳感器可以感知煙草產(chǎn)生的煙氣和花粉,房屋粉塵等1 微米以上的微小粒子.體積小,重量輕,便于安裝。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 GP2Y1010AUOF 粉塵傳感器電路圖

GP2Y1010AU 插上5V 電源后，1 秒內(nèi)會穩(wěn)定、正常的工作，可以進(jìn)行檢出輸出端Vo 電壓會變動，規(guī)格值是脈沖周期T：10ms，脈沖寬度Pw：0.32ms，取樣時間：0.28ms。根據(jù)此條件變動，特性值（無塵時輸出電壓、檢出感度）也隨變動。在單片機(jī)編程上，不能以此條件設(shè)定的情況下，要在推薦范圍內(nèi)操作。另外，根據(jù)電源電壓，輸出電壓也會變動。電路圖如圖2 所示。

2.2 軟件設(shè)計

圖3 GP2Y1010AUOF 傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖

節(jié)點(diǎn)PM2.5 信息采集電路采用STC12C5204AD 單片機(jī)，該單片機(jī)內(nèi)部自帶8 位AD 轉(zhuǎn)換功能，傳感器采集到的輸出信號從P1.7 腳輸入到單片機(jī)進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換。將轉(zhuǎn)換后的結(jié)果送入NRF2401 發(fā)射出去。傳感器信息采集程序流程圖見圖3。

3 GPRS 模塊硬件與軟件設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

圖4 GPRS 模塊與單片機(jī)連接電路圖

選擇GPRS 模塊芯片型號SIM900A。SIM900A 采用單獨(dú)供電，VBAT 供電范圍是3.2V-4.8V 之間。模塊射頻發(fā)射時會導(dǎo)致電壓跌落，這時峰值電流會達(dá)到2A 以上。因此電源的供電電流最好要大于2A 以上。建議VBTA 引腳并接大電容。使用者可以直接選擇成品的GPRS 模塊。GPRS 模塊與單片機(jī)之間的連接電路如圖4所示。

3.2 軟件設(shè)計

圖5 GPRS 模塊報警流程圖

在使用GPRS 模塊之前，可先用串口調(diào)試助手對其進(jìn)行測試。插上聯(lián)通或者移動SIM 卡，接好天線和電源，將GPRS 模塊和電腦連接好，通上電。打開電腦的串口調(diào)試助手，注意選擇正確的串口和波特率（一般為9600）。自適應(yīng)波特率情況下，打開模塊，模塊不會自動上報“RDY”等信息。必須首先輸入以“AT”，非“at”作為開頭的命令，模塊才會做出響應(yīng)。用計算機(jī)串口控制GSM 時，輸入完AT 指令后直接按ENTER 鍵。在單片機(jī)里用AT 指令控制GPRS/GSM 時，一定要加AT 指令后加 即 回車。例如：mode[]= "AT+CMGF=1 "；輸入所有AT 指令及符號必須要在英文輸入法下進(jìn)行。握手測試：手動發(fā)送AT 回車，數(shù)據(jù)接收為AT OK。單片機(jī)通過以下程序?qū)崿F(xiàn)。

while(!Hand("OK")) //判斷是否握手成功,如果不成功延時一會,再發(fā)送AT 握手指令

撥號：手動發(fā)送ATD15*********；回車。測試完畢后，可以按圖4 連接好單片機(jī)。

GPRS 發(fā)送信息給LED 屏?xí)r，LED 短信屏只能接收中文命令，所以，在編程時，要將GPRS 設(shè)置為PDU 模式（TXT 模式是英文），這是本系統(tǒng)最為復(fù)雜和關(guān)鍵的部分。部分程序如下：

在PDU Mode 下，短信息正文經(jīng)過十六進(jìn)制編碼后被傳送。PDU 相當(dāng)于一個數(shù)據(jù)包，它由構(gòu)成消息（SMS）的信息組成。作為一種數(shù)據(jù)單元，它必須包含源/目的地址、保護(hù)（有效）時間、數(shù)據(jù)格式、協(xié)議類型和正文，正文長度可達(dá)140 字節(jié)，它們都以十六進(jìn)制表示。PDU 結(jié)構(gòu)根據(jù)短消息由移動終端發(fā)起或以移動終端為目的而不同。每條消息可以發(fā)送140 個字節(jié)，由于本系統(tǒng)中最長的數(shù)據(jù)串沒有超過140 個字節(jié)，因此數(shù)據(jù)均可以用一條消息來發(fā)送。例如：發(fā)送：SMSC 號碼是+8613800250500，對方號碼是13851872468，消息內(nèi)容是“Hello!”。從手機(jī)發(fā)出的PDU 串可以是 08 91 68 31 08 20 05 05 F0 11 00 0D 91 68 31 58 81 27 64 F8 00 00 00 06 C8 32 9B FD 0E 01 。前6 個數(shù)字08 91 68 格式是固定的，然后是發(fā)送的手機(jī)號碼內(nèi)存碼（手機(jī)號碼兩位兩位顛倒，湊齊偶數(shù)在手機(jī)號碼后面加F）然后11 00 0D 91 68 格式是固定，再是目標(biāo)手機(jī)號碼內(nèi)存碼（手機(jī)號碼兩位兩位顛倒）。然后是00 00 00 06，其中06 代表消息內(nèi)容是“Hello!”占用的字節(jié)數(shù)。最后是要發(fā)送的內(nèi)容“Hello”的內(nèi)存碼。內(nèi)存碼的生成可以使用專業(yè)軟件。其中為固定格式的部分請讀者參考相關(guān)資料的說明。

程序流程圖見圖5。無線模塊的軟硬件設(shè)計已經(jīng)成熟，可參考相關(guān)資料，這里不作過多的贅述。

4 性能分析

本系統(tǒng)主要性能指標(biāo)有：PM2.5 檢測精度、無線傳輸距離，GPRS 可靠性。

從實(shí)際測試的情況來看，PM2.5 檢測傳感器采用了目前市場上流行的日本夏普公司的產(chǎn)品。檢測精度是個相對的概念，是一個以盡可能接近理論值為標(biāo)準(zhǔn)的。本傳感器它是檢測在空氣中的塵埃的反射光，尤其是，它可以有效地檢測到非常細(xì)的顆粒像香煙煙霧，效果非常好。加裝了功率加強(qiáng)和天線電路的無線模塊，實(shí)測通信距離在無障礙物時可達(dá)800 米。一般情況可達(dá)200 米，能符合現(xiàn)場需要。GPRS 模塊只需有移動通信能覆蓋的區(qū)域均可成功完成通信。

5 結(jié)語

利用GPRS 傳遞報警信息，可做到實(shí)時動態(tài)監(jiān)控PM2.5 空氣質(zhì)量。信息及時準(zhǔn)確，無需人工。由于傳感器不僅對PM2.5 敏感，還對火災(zāi)引起的各類煙霧也敏感，所以，在預(yù)防火災(zāi)方面也同等有效。設(shè)置是采用紅外遙控，操作方便可靠。利用大屏幕液晶顯示器顯示，操作界面清晰、友好。被檢測對象是利用無線模塊進(jìn)行傳輸，節(jié)約成本，可靠性強(qiáng)。綜上所述，本設(shè)計在工廠、企業(yè)、學(xué)校、單位需要對環(huán)境進(jìn)行安全監(jiān)控的場合具有較廣的推廣價值。

[1] （美）斯托林斯 著，何軍等譯 無線通信與網(wǎng)絡(luò) 北京:：清華大學(xué)，2005-10

[2] 韓斌杰.GPRS 原理及其網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2003

[3] 郭天祥.新概念51 單片機(jī)C 語言教程 北京:電子工業(yè)出版社，2009

[4] 樊昌信、曹麗娜. 通信原理（第7 版） 北京: 國防工業(yè)出版社，2012