一種基于多傳感器的PM2.5數據分析系統

秦瑾+邱曉榮

摘要：基于多傳感器的數據采集系統是目前大氣環境監測的主流方向，本文介紹了基于STM8半導體核心板的大氣環境監測系統，對大氣環境檢測系統的系統組成、硬件組成以及數據傳輸實現等關鍵技術做了一定的探討。實驗結果表明，該系統能夠很好地監測大氣環境中的各項基本數據

關鍵詞：多傳感器；STM8；大氣環境監測

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）12-0261-02

1 概述

隨著科學的日益發展和進步，大氣環境越來越受到人們的重視，眾所周知，人類的生活環境與大氣環境存在著密不可分的關系，而如今隨著工業的發展，人類正面臨各種各樣的大氣環境問題，如二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫及一些有害氣體的濃度大幅超標。近幾年，以北京為主的各大城市均受到霧霾天氣的嚴重影響，影響了市民的日常生活。當然，目前全世界大部分城市都受到或多或受的大氣環境污染，在惡劣的天氣中，不僅僅是對人類的生產生活造成了不利影響，同時也影響到一個國家的可持續發展，因此，在這種情況下，對于大氣環境的監測顯得尤為重要。

2 大氣環境數據采集系統的硬件組成

2.1系統設計

本項目的主要工作是設計了一種基于多傳感器的PM2.5數據分析系統。系統的節點控制芯片采用STM8單片機，通過內部定時器定時采集各傳感器的數據，并將數據處理成統一的格式，然后通過串口連接Wi-Fi模塊，Wi-Fi模塊將數據向外發送。

2.2硬件選型

1）STM8主控芯片

STM8是意法半導體的基于高性能8位內核的處理器，配有先進的成套外設。該平臺采用的是130nm嵌入式非易性存儲器專有技術，內部集成真正的EEPROM數據存儲器，可以達到30 萬次的擦寫周期。STM8S105K4的內核最高運行速度達16MIPs（在最高16MHz時鐘頻率下），它通過增強型堆棧指針運算、先進的尋址模式和新指令實現快速、安全的開發。并且與當前非常流行的STM32具有相同的外設架構，因此在8位控制器中應用的也比較廣泛。STM8具有與MSP430大致相當的片上外設，具有片上10位AD、UART、I2C和SPI等接口。同時，STM8的價格要比MSP430低許多，成本上可以得到很好的控制。

2）傳感器選型

系統使用的傳感器包括溫濕度傳感器、光照度傳感器以及PM2.5塵埃顆粒傳感器。

溫濕度傳感器選用的是DHT11。DHT11可以達到同時監測空氣中的溫度和濕度的效果，并且它能夠把數據轉變成已校準的數字信號，可以從單片機中直接獲得它的輸出信號。當然DHT11的連接電路也比較簡單，基本不需要外圍電路。當使用時，DHT11被喚醒，切換成高速模式。等到主機開始信號結束后，DHT11發送響應信號，然后進行數據的傳出，并且觸發一次數據采集。如果沒有收到主機發來的信號，DHT11不會進行自動采集，而是處于低功耗狀態。

光照度傳感器選用的是T5516光敏電阻。

PM2.5塵埃顆粒傳感器選用的是Sharp的GP2Y1050AU0F灰塵傳感器，該傳感器結構相對簡單，有GND，VCC和TXD三根組合排列線。該傳感器上有一個光傳感器，通過粉塵散射后的光線傳感器作為電壓輸出，該傳感器擁有非常低的電流消耗（最大20mA），可使用高達7VDC。輸出的為模擬電壓，其值與粉塵濃度成正比。在采集數據的過程中，主控MCU可以再AD采樣和串口通信（RXD）兩種放時間選擇。輸出方式也有模擬端口和串口兩種方式。傳感器可以測量0.8微米以上的微小粒子，體積小，重量輕，便于安裝。

3）Wi-Fi模塊

Wi-Fi模塊選用的是有人科技生產的小體積Wi-Fi模塊USR-WiFi232-T，大小只有22mm×13.5mm×6mm，因此能夠很好的嵌入到小體積的設備中。它是一款一體化的802.11b/g/n Wi-Fi低功耗解決方案，支持UART/PWM/GPIO數據通訊接口，支持STA（終端）/AP（Access Point，即接入點）/STA+AP共存工作模式，支持Smart Link智能聯網功能，通過USR-WiFi232-T模組，傳統的低端串口設備或MCU控制的設備都可方便的接入Wi-Fi網絡。

3 Android應用程序的設計

客戶端采用Android平臺，通過套接字Socket接收數據。然后將數據保存在本地數據庫，用以查詢時使用。同時，接收的數據將通過列表和折線圖方式提供直觀的顯示。本系統主要由Android客戶端來控制節點數據的采集與發送，如果沒有收到客戶端發的開始信號，單片機將處于休眠狀態，因此可以很好的節省能耗。

4 項目研究技術路線

文獻法：分類閱讀相關文檔（包括文字、圖形、符號、聲頻、視頻等具有一定理論和實踐指導價值的材料），發現問題或得出一般性結論，尋找創新項目的思路。

實驗法：研究制定嚴謹科學的實驗方案（包括實驗方法過程的設計、實驗材料和工具的選擇、研究無關變量及其控制措施、實驗的階段劃分、原始過程性資料積累的方案與分工、成果形式的確定等等），完成關鍵技術的攻關。

觀察法：通過文獻閱讀和實驗操作，了解系統軟硬件設備的主要功能和實現方法，進一步明確系統需求和實現。

經驗總結法： 通過項目的前期需求分析、中期分階段開發、后期集成開發以及測試、發布、部署等工作，形成一套行之有效軟件開發方法和創新實踐方法。

5 結束語

面對日益嚴重的大氣環境污染問題，本文建立了一個基于多傳感器的PM2.5數據分析系統。經過測試，系統能夠進行數據的采集、存儲和顯示；在性能上，本系統相對比較穩定，誤差也在可以接受的范圍之內。由于實驗和開發資源的限制，沒有大量運用各種傳感器終端節點進行各項指標的綜合測試。后期可以進一步根據無線傳感器網絡的特點，對于網關、終端節點和監控中心進行更進一步的測試。

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