基于云平臺(tái)的PM2.5污染物監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

董威+董凡+王明華+高超+姚智韌

DOI：10.16644/j.cnki.cn33-1094/tp.2016.02.003

摘 ?要： 針對(duì)當(dāng)前環(huán)境污染嚴(yán)重，構(gòu)建了一個(gè)以yeelink物聯(lián)網(wǎng)為云服務(wù)平臺(tái)，Arduino為核心控制板，DSM501A為傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)。利用Arduino對(duì)DSM501A粉塵傳感器的控制，將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過串口上傳至yeelink云平臺(tái)，便于實(shí)時(shí)、異地監(jiān)控和長時(shí)間的數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量綜合評(píng)估，是一種低成本、多功能、實(shí)時(shí)化和遠(yuǎn)程化的污染物監(jiān)測方案。

關(guān)鍵詞： 云平臺(tái); Arduino控制板; 粉塵傳感器; 實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測

中圖分類號(hào)：TP702 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1006-8228（2016）02-08-03

Design of PM2.5 pollutant monitoring system based on cloud platform

Dong Wei， Dong Fan， Wang Minghua， Gao Chao， Yao Zhiren

（School of Mathematics &Computer Science， Hubei University of Arts and Sciences， Xiangyang， Hubei 441053， China）

Abstract： In view of the current serious environmental pollution， a real-time monitoring system is constructed， which uses yeelink as cloud service platform， Arduino as the core control board， and DSM501A as the sensor. Arduino is used to control DSM501A dust sensor， process the data collected and upload it to yeelink cloud platform through the serial port， so as to complete the real-time monitoring and long-time data analysis， realize the real-time air quality comprehensive evaluation.This is a kind of low cost， multifunction， real-time and remote pollutant monitoring scheme.

Key words： cloud platform; Arduino control board; dust sensor; real-time and remote monitoring

0 引言

科技進(jìn)步，生活節(jié)奏加快，社會(huì)工業(yè)化的步伐越來越急，我們生活的環(huán)境也遭到嚴(yán)重破壞。最直觀的感受是藍(lán)天不是那么藍(lán)了。有研究表明，大氣中PM 2.5[1]每升高10μg/m3，人群呼吸系統(tǒng)疾病的死亡率從2.1%增加到3.75%[2]。本文主要介紹利用現(xiàn)有云平臺(tái)搭建一個(gè)pm2.5污染物實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)原理圖如圖1所示。用于采集環(huán)境顆粒物的DSM501A灰塵傳感器將采集到的信息發(fā)送給Arduino（mega328p）輸入端，DSM501A輸出的是PWM脈寬調(diào)制信號(hào)。Arduino可以完成對(duì)采集到數(shù)據(jù)的處理，可以通過串口在PC上收集，但是無法上傳至網(wǎng)絡(luò)，所以使用yeelink提供的串口工具進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳，在yeelink平臺(tái)上進(jìn)行相應(yīng)的配置后就可以在yeelink網(wǎng)站上遠(yuǎn)程，異地，實(shí)時(shí)地查看傳感器數(shù)據(jù)，對(duì)空氣中pm2.5進(jìn)行監(jiān)測。

[灰塵傳感器DSM501A][Arduino（mega328p）][PC][Yeelink串口工具][Yeelink平臺(tái)]

圖1 ?系統(tǒng)原理圖

1.1 硬件設(shè)計(jì)

1.1.1 Arduino控制板

控制板采用Arduino平臺(tái)，它是一個(gè)開放源代碼的硬件項(xiàng)目平臺(tái)，核心器件是一塊AVR ATmege328微控制器。該平臺(tái)包括一塊具備簡單I/O功能的電路板及一套程序開發(fā)環(huán)境軟件。Arduino具有類似 JAVA、C語言的開發(fā)環(huán)境。可以快速使用Arduino語言與Flash或Processing等軟件完成互動(dòng)作品。Arduino它在各種基于傳感器的系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)方面得到了廣泛應(yīng)用，其硬件設(shè)計(jì)采用CC BY-SA3.0協(xié)議，軟件采用類似C++的高級(jí)語言[3-4]。

1.1.2 灰塵傳感器DSM501A

DSM501A特點(diǎn)是PWM脈寬調(diào)制輸出，內(nèi)置加熱器可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)吸入空氣，采用粒子計(jì)數(shù)原理，可靈敏檢測直徑為1μm以上的粒子。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

<E：＼方正創(chuàng)藝5.1＼Fit201602＼圖＼dw圖2.tif>

圖2 ?DSM501A結(jié)構(gòu)原理及引腳圖

輸出腳Vout2為普通輸出腳位，靈敏度已預(yù)設(shè)，最小粒子檢測能力為1μm;輸出腳Vout1為可調(diào)輸出腳位，靈敏度可以通過控制腳來調(diào)整，默認(rèn)為Vout2的2.5倍，即最小粒子檢測能力為2.5μm;通過在控制腳和GND之間加一個(gè)電阻可調(diào)整Vout1的最小粒子檢出水平。當(dāng)所接電阻為100KΩ時(shí)，Vout1輸出為半敏感（2μm以上）;當(dāng)接入27 KΩ電阻時(shí)，Vout1輸出與Vout2同等敏感（1μm以上）。該傳感器輸出為PWM調(diào)制方波，以低脈沖率來表示粒子數(shù)量水平[5]。輸出原理如圖3所示。

圖3 ?輸出原理

1.2 軟件設(shè)計(jì)

1.2.1 Ardunio數(shù)據(jù)采集

Ardunio程序中有著固定的規(guī)范。每個(gè)Ardunio程序只有一個(gè)setup（）和一個(gè)loop（）函數(shù)，setup（）函數(shù)里面定義相關(guān)初始化數(shù)據(jù)。當(dāng)setup（）函數(shù)執(zhí)行完成就執(zhí)行l(wèi)oop（）函數(shù)內(nèi)的代碼，這個(gè)函數(shù)內(nèi)的代碼會(huì)一直循環(huán)下去。

DSM501A傳感器有兩個(gè)數(shù)據(jù)輸出引腳，將2號(hào)腳接Ardunio的任意數(shù)字輸入引腳，將5號(hào)引腳接到Ardunio的GND引腳，將3號(hào)引腳接Ardunio的5v引腳。

通過Ardunio集成開發(fā)環(huán)境可以編寫數(shù)據(jù)采集程序，燒錄到Ardunio板中，部分程序代碼如下：

void loop（）

{

duration=pulseIn（pin， LOW）;

lowpulseoccupancy=lowpulseoccupancy+duration;

if （（millis（）-starttime）>sampletime_ms）

{

ratio=lowpulseoccupancy/（sampletime_ms*10.0）;

//Integer percentage 0=>100

concentration=1.1*pow（ratio，3）-3.8*pow（ratio，2）

+520*ratio+0.62; //using spec sheet curve

Serial.print（ratio）;

Serial.print（"，"）;

Serial.println（concentration）;

lowpulseoccupancy=0;

starttime=millis（）;

}

}

這個(gè)程序的意義是，先采集30秒內(nèi)低頻脈沖所占比例，再通過擬合函數(shù)來計(jì)算出空氣中粒子數(shù)目的濃度，最后以串口輸出。

1.2.2 yeelink配置

為了讓自己的Ardunio設(shè)備和yeelink平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，必須在yeelink上進(jìn)行相關(guān)配置。首先必須注冊(cè)一個(gè)Yeelink賬號(hào)，得到一個(gè)APIkey。通過串口轉(zhuǎn)發(fā)工具將數(shù)據(jù)發(fā)送至yeelink平臺(tái)。在yeelink上對(duì)應(yīng)的部分api文檔[6]如表1、表2和表3所示。

1.3 系統(tǒng)運(yùn)行及測試

該系統(tǒng)在yeelink平臺(tái)上運(yùn)行了1個(gè)星期，傳感器置于室內(nèi)。

收集到的數(shù)據(jù)如圖4所示。

2 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)將Ardunio和傳感器相連，并將采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳至yeelink云平臺(tái)。通過yeelink平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)pm2.5顆粒物的遠(yuǎn)距離、實(shí)時(shí)監(jiān)測。在該系統(tǒng)基礎(chǔ)上還可以加入其他傳感器來拓展新的功能，其具有很強(qiáng)的可拓展性。yeelink的開放平臺(tái)也可以接入其他社交網(wǎng)絡(luò)，提高了交互性。整個(gè)設(shè)計(jì)成本不高，實(shí)用性較強(qiáng)，可以滿足一些家庭自主監(jiān)測居家環(huán)境狀態(tài)。其中傳感器獲取數(shù)據(jù)的精度值還需進(jìn)一步改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 楊新興.大氣顆粒物PM2.5及其危害[J].前沿科學(xué)，2012.6

（21）：22-30

[2] 楊軼戩.顆粒物（PM2.5）對(duì)呼吸系統(tǒng)的毒性作用[J].毒理學(xué)，

2005.19（2）：146-148

[3] 蔡睿妍.Arduino的原理及應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012.20

（16）：155-157

[4] 袁本華，董錚.基于Arduino控制板的溫室大棚測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012.6：35-37

[5] Baidu.灰塵粉塵傳感器DSM501A.[EB/OL].http：//

wenku.baidu.com/view/e604a4cf8bd63186bcebbcc9.html？from=search

[6] Yeelink. API Documents.[EB/OL].http：//www.yeelink.net/

developer/api