基于WiFi的空氣質量檢測系統

張燕

摘 要：當前的環境質量越來越差，空氣質量已成為人們關注的焦點，而官網提供的是大范圍區域型數據，針對現有的空氣質量檢測儀無法滿足對空氣質量多點實時監測的缺陷，為此，文中設計了一種通過WiFi無線傳輸的空氣質量監測系統，該系統可以實現對當前PM2.5、溫度、濕度的檢測，并通過WiFi實現數據傳輸，提供物聯網數據監測服務，非常適合家居、商場、酒店等場所進行空氣質量實時檢測。

關鍵詞：PM2.5；溫度；濕度；數據傳輸；物聯網

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）06-00-02

0 引 言

近年來，我國大多數城市出現了嚴重的霧霾天氣，環境的空氣質量問題越來越成為人們關注的焦點。導致霧霾天氣的罪魁禍首就是PM2.5。PM2.5即細顆粒物，是指環境空氣中空氣動力學當量直徑小于等于2.5 μm的顆粒物。它能較長時間懸浮于空氣中，其在空氣中含量濃度越高，就代表空氣污染越嚴重。雖然PM2.5只是地球大氣成分中含量很少的組分，但它對空氣質量和能見度等有重要的影響。由于PM2.5能通過肺泡直接進入循環系統，其可影響人的心血管、呼吸、神經系統等，導致血壓升高，動脈硬化，心律不齊等癥狀，所以對所處環境的PM2.5進行檢測是非常有必要的。

當前的空氣質量檢測儀主要是對環境的PM2.5、溫度、濕度進行單點檢測，且官網數據也是大范圍的區域性數據，無法滿足對空氣質量進行多點實時監測及歷史數據分析的要求。并且傳統的有線傳輸布線復雜，受環境限制大，成本高，針對這些問題，本文提出了一種基于WiFi傳輸的數據服務型空氣質量檢測系統，實現對環境PM2.5、溫度、濕度的檢測，并可以上傳數據到物聯網平臺進行實時分析與歷史數據統計功能，具有很大的市場潛力。

1 系統總體設計

本系統由空氣質量檢測儀和物聯網平臺組成，以STM8S105K4單片機作為信號采集和數據處理的控制中心，并通過高精度的激光PM2.5傳感器采集空氣PM2.5含量，DHT11采集環境溫濕度信息，經過單片機處理后在1602液晶上顯示當前環境的PM2.5含量以及溫濕度信息，并通過WiFi模塊連接路由器后將數據上傳到物聯網平臺進行實時監測和記錄，系統設計框圖如圖1所示。

2 硬件設計

為了實現對環境PM2.5濃度和溫濕度的檢測和顯示，系統的硬件設計主要包括單片機控制模塊，溫濕度采集模塊，PM2.5采集模塊，液晶顯示模塊，WiFi數據傳輸模塊。

2.1 單片機控制核心

為了提高系統的穩定性，盡可能的減少硬件成本，本系統選用STM8S105K4單片機作為控制核心，該系列芯片具有16 K字節的Flash程序存儲器，并且有7個A/D轉換通道，12個I/O口，工作電壓為5 V，擁有廣泛的適應性。在系統設計中，主要用到了單片機的A/D轉換，中斷I/O口，通信接口和SWIM接口對存儲器進行在線編程調試。

2.2 空氣質量檢測模塊

在本系統中，空氣質量的精確采集判斷非常重要，采用高精度激光PM2.5檢測傳感器，該傳感器一致性好，精度高，且有一個很大的優勢，傳感器輸出的數據是和官方單位一致的μg/m?濃度。該傳感器采用激光檢測原理，由專用的激光模塊產生一束特定的激光，當顆粒物經過時，其信號會被超高靈敏的數字電路模塊檢測到，通過對信號數據進行智能識別分析得到顆粒計數和顆粒大小，并根據專業的標定計數得到粒徑分布與質量濃度轉換公式，最終得到跟官方單位同樣的質量濃度。該傳感器可以分辨最小直徑達0.3 μm的顆粒，量程為0～999.9 μg/m?，工作電壓為5 V，工作電流為100 mA，且如果環境改變，響應時間小于10 s。由于可以直接得到顆粒的濃度，因此大大簡化了硬件電路的設計，并且精度高、工作穩定、一致性好，性能非常優異。

PM2.5計算公式為：

PM2.5（μg/m?）= （（PM2.5 高字節×256） + PM2.5 低字節）/10

2.3 溫濕度檢測模塊

為了保證檢測儀工作的可靠性和穩定性，在系統中選用DHT11數字溫濕度傳感器來檢測環境的溫度和濕度，DHT11是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，其濕度精度為±5%RH，溫度±2℃，量程濕度20～90%RH，溫度0～50℃。其體積小、功耗低、響應快、抗干擾能力強，可以應用到苛刻的環境中。

2.4 WiFi數據傳輸模塊

為了實現對環境的多點監測和數據分析查詢，在系統中通過WiFi無線傳輸來實現數據傳輸，將采集到的環境數據上傳到物聯網平臺。在本設計中，WiFi模塊采用的是以ESP8266為核心的一款超低功耗的UART-WiFi透傳模塊，該模塊硬件接口豐富，可以實現PWM調控，串口透傳和GPIO控制功能，且支持STA、AP、STA+AP三種工作模式，可以實現串口CH340轉WiFi，工業透傳DTU，WiFi遠程監控/控制，消防、安防智能一體化管理等，被廣泛應用于物聯網場合。

3 軟件設計

系統軟件主要實現的功能是將采集到的溫濕度信息和空氣指數信息進行分析，通過液晶顯示當前的環境信息，并將環境信息上傳到物聯網平臺。

系統初始化后，單片機將采集到的PM2.5濃度信息和溫濕度信息發送到單片機進行分析處理， 如果環境沒有改變則直接控制液晶顯示當前的環境信息，如果環境改變了則重新進行采集處理，最后將環境信息上傳到物聯網平臺，程序流程圖如圖2所示。

4 結 語

本文以空氣質量的多點監測和數據分析為研究對象，從硬件設計和軟件設計兩方面詳細的分析了一種基于WiFi無線傳輸的多點式空氣質量監測系統。在設計中，為了保證對空氣質量的高精度檢測和智能化實現，采用激光空氣質量檢測傳感器并結合DHT11數字式溫濕度傳感器，不僅實現了對環境空氣質量和溫濕度信息的采集和顯示，還通過無線傳輸的方式將數據上傳到物聯網平臺，實現了數據的實時監測和數據的保存分析。通過檢測儀的大面積覆蓋，可以實現由點到面的覆蓋，除了官網的區域性數據外，還給大眾提供了多樣化的環境監測樣本，促進了環境數據的透明化，讓大眾更好地知悉環境，健康生活。

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