基于移動端空氣質量檢測顯示系統(tǒng)開發(fā)

馮永發(fā)+陳毅楓+張士同+陳景霞

【摘要】隨著城市工業(yè)化的不斷發(fā)展和現代化建設的不斷演進，國內外大中型城市都出現了空氣污染的狀況。尤其是2012年冬天以來，中國華北大部分地區(qū)出現了以PM2.5為主要污染物的霧霾天氣。大氣霧霾的主要由PM2.5、PM10、PM0.1以及重金組成。有關霧霾的重大事件層出不窮，因為空氣質量的惡化，陰霾天氣現象出現增多，危害現象加劇，因此對PM2.5的測量顯得越來越重要。

【關鍵詞】霧霾 測量空氣質量

本設計主要目標是檢測本地的空氣質量指標信息，包括PM2.5，溫度、濕度等，并通過無線技術傳送到手機端，使得手機用戶能實時了解到當地的空氣質量信息。本項目主要涉及到網關技術、Web技術和安卓開發(fā)技術等，主要包括用戶界面設計模塊、空氣質量監(jiān)測模塊和云端服務器模塊。

隨著信息化時代的發(fā)展，健康防護問題被看的越來越重要。作為保護人身體健康的一類設備，傳感器可謂是一項偉大的科技發(fā)展。因為空氣質量的惡化，陰霾天氣現象出現增多，危害現象加重。中國不少地區(qū)把陰霾天氣現象并入霧一起作為災害性天氣預警預報。統(tǒng)稱為“霧霾天氣”。霧霾主要由PM2.5、PM10、PM0.1以及重金組成。在空氣動力學和環(huán)境氣象學中，顆粒物是按直徑大小來分類的，粒徑小于100微米的稱為TSP，即總懸浮物顆粒；粒徑小于10微米的稱為pm10，即可吸收顆粒物；粒徑小于2.5微米的稱為pm2.5，即可入肺顆粒物，它的直徑僅相當于人的頭發(fā)絲粗細的1/20.雖然Pm2.5只是地球大氣成分中含量很少的組分，但它與較粗的大氣顆粒物相比，粒徑小，富含大量的有毒、有害物質且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠，因而對人體健康和大氣環(huán)境影響更大。因此，對pm2.5的檢測與治理便顯得越來越重要。

一、系統(tǒng)的總體架構設計

過去傳統(tǒng)模式測量pm2.5的方法是側重法將Pm2.5直接截留到濾膜上然后用天平稱重，這種就是重量法。重量法是最直接、最可靠的方法，但是其的人工稱重程序繁瑣，不夠簡潔，適用于做實驗。其次就是β射線吸收法：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。根據射線的衰減就可以計算出PM2.5的重量。微量振蕩天平法：一頭粗一頭細的空心玻璃管，粗頭固定，細頭裝有濾芯?？諝鈴拇诸^進，細頭出，PM2.5就被截留在濾芯上。在電場的作用下，細頭以一定頻率振蕩，該頻率和細頭重量的平方根、成反比。于是，根據振蕩頻率的變化，就可以算出收集到的PM2.5的重量。整體軟件設計模塊如圖1。

本項目的主要創(chuàng)新點在于滿足了個人空氣質量監(jiān)測的需求。通過運用物聯(lián)網技術將設備的數據呈現在手機終端，用戶可以根據自身的需求將空氣質量監(jiān)測設備放置在不同的地理位置，進而從手機終端就能查看自己所關注的位置的空氣質量信息。這充分體現了物聯(lián)網與移動互聯(lián)網相融合的優(yōu)勢。

二、手機終端架構

掌握整體設計的前提下，繪制檢測板軟件整體設計流程圖。制作電路板，并將各模塊連接，模擬實際工業(yè)領域場景，進行整機調試。對測試出現的問題，及時修改軟件，硬件一定要在前期要確定。本系統(tǒng)手機終端架構如圖2

三、硬件設計介紹

電源模塊由AC-DC 電源、DC-DC 電源和繼電器控制電路構成。其中，AC-DC 電源將220 交流電轉化為12 V 直流電，DC-DC 電源使用降壓電路（圍繞AOZ1036PI 芯片）將12 V 電壓轉化為5 V 和3.3 V，繼電器控制電路完成繼電器開/關和電機驅動，用于接收控制信號后進行相關功能的調節(jié)。控制模塊主要有STM32 芯片、觸摸屏（TFT 液晶）、通信接口組成。其中STM32 芯片與其他外圍電路主要完成數據收集、處理、轉發(fā)和指令發(fā)送等，用于控制其他模塊；觸摸屏用于與用戶交互、顯示收集到的信息；通信接口電路主要完成指令、數據等信息的傳遞。其工作方式為：1） 觸摸屏或通信接口電路接收控制指令信號，傳遞給STM32，并由STM32 通過通信接口使能相應的工作模塊；2） 通過通信接口模塊收集檢測模塊傳送的數據，對數據進行分析處理，結果傳送給觸摸屏進行顯示，同時傳送給通信模塊，由其發(fā)送至服務器。

檢測模塊端，由單片機、粉塵檢測傳感器、顯示模塊、報警等模塊組成路，GP2Y1010AUOF粉塵傳感器采集空氣中pm2.5的濃度值，經過單片機處理后，在LCD1602液晶上顯示，并且設置一個報警值，檢測的pm2.5濃度值超過報警值后，蜂鳴器報警，報警值可以用按鍵手動調節(jié)。另外，該設計在實時檢測濃度的同時，根據當前檢測濃度亮起相應的燈。

四、軟件介紹

在本課題中對空氣質量各個指標及指數進行采集并傳送到業(yè)務平臺的過程中使用到了WOT技術。其中感知層包括采集空氣指數的物理設備空氣質量監(jiān)測儀，環(huán)保局監(jiān)測空氣指數的各類傳感器。傳感器采集空氣中的各類污染物的含量，包括PM2.5等。在網絡層，空氣質量監(jiān)測設備通過內嵌的S1M卡，利用GPRS網絡，將采集到的物理數據的各個指標傳送到業(yè)務平臺。在應用層利用Android開發(fā)技術，將感知層釆集到的空氣指數展現在智能手機終端上。

Web Service 技術，Web Service技術為網絡上需要進行互通和通信的資源提供了一種標準的接口。Web Service基于Web上己發(fā)展成熟的諸多開放和統(tǒng)一的標準，如基于廣泛使用的HTTP協(xié)議，基于簡單而又易用的XML數據格式。

Android技術，需要熟悉安卓系統(tǒng)的Linux內核層、系統(tǒng)運行庫、應用程序框架和應用程序層，并進行開發(fā)。

五、總結

本文針對傳統(tǒng)空氣凈化器存在的凈化時間長、空氣質量監(jiān)測數據無法精確顯示的問題，設計了一種基于物聯(lián)網技術的智能空氣質量檢測系統(tǒng)。通過實測驗證，完全實現了對環(huán)境空氣質量狀況的遠程實時監(jiān)測，并通過遠程控制凈化開啟（是/否）來間接解決空氣凈化器凈化時間長的問題，從而進一步的提升用戶體驗，具有較好的應用價值

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