制備基于Arduino開發(fā)板的PM2.5檢測智能穿戴設(shè)備設(shè)計

鄢世陽，崔江龍，劉佳鑫，何達(dá)威，柳麗芬

(大連理工大學(xué)，遼寧 大連 124221)

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制備基于Arduino開發(fā)板的PM2.5檢測智能穿戴設(shè)備設(shè)計

鄢世陽，崔江龍，劉佳鑫，何達(dá)威，柳麗芬

(大連理工大學(xué)，遼寧 大連 124221)

指出了隨著空氣質(zhì)量的惡化，霧霾天氣現(xiàn)象出現(xiàn)增多，危害現(xiàn)象加重，有關(guān)霧霾的重大事件層出不窮，因此，對PM2.5的測量顯得越來越重要。設(shè)計采用Arduino為控制中心，由夏普GP2Y1010AU0F粉塵傳感器測量空氣粉塵濃度，單色液晶顯示屏顯示當(dāng)前空氣粉塵濃度。結(jié)合arduino廉價、API開放度高的特點(diǎn)，設(shè)計了一種可以監(jiān)測PM2.5并能與Android手機(jī)互動的智能可穿戴設(shè)備手表，使用該表用戶可以通過手機(jī)了解時間與周圍空氣的質(zhì)量，并可以自行設(shè)計手表的用戶界面。該表還可以通過藍(lán)牙與Android手機(jī)設(shè)備聯(lián)動，通過在手機(jī)App上輸入體重與運(yùn)動種類(如跑步與慢步)，確定是否適宜活動，并在估算出這段時間內(nèi)的吸入顆粒量。

PM2.5;Arduino;智能手表;物聯(lián)網(wǎng);自動檢測

1　整體架構(gòu)設(shè)計

1.1整體架構(gòu)

該設(shè)計提出的PM2.5監(jiān)測方案整體架構(gòu)由Arduino、藍(lán)牙模塊、粉塵檢測傳感器模塊、顯示屏、電池、手機(jī)端APP等6部分組成，系統(tǒng)功能原理圖如圖1所示。整個設(shè)計中的粉塵檢測傳感器模塊主要用于將PM2.5的濃度轉(zhuǎn)換為電信號。主控制器將傳感器輸出的模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并通過特定的計算公式將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為PM2.5的濃度在顯示屏中進(jìn)行顯示。在整個檢測過程中，該設(shè)計通過藍(lán)牙模塊將采集到的PM2.5的濃度發(fā)送到手機(jī)APP端，通過APP端實(shí)現(xiàn)PM2.5報警、分享、運(yùn)動環(huán)境適宜度分析等功能。此外，電池模塊為設(shè)備提供能源。

圖1　粉塵濃度監(jiān)測系統(tǒng)基本框

1.2硬件設(shè)計及PM2.5監(jiān)測功能的實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)的硬件在設(shè)計之初各個模塊的選擇上主要考慮了以下幾個方面：低功耗、計算性能、檢測精度、性價比。 基于以上幾點(diǎn)的考慮，該系統(tǒng)的硬件設(shè)計選用了Arduino UNO R3開發(fā)板、夏普GP2Y1010AU0F粉塵傳感器、HC-05主從機(jī)一體藍(lán)牙模塊、Nokia5110液晶屏等進(jìn)行了開發(fā)測試。

1.2.1微處理器Arduino簡介

Arduino具有14個數(shù)字I/O口(其中6個可提供PWM輸出)，6個模擬I/O口，一個復(fù)位開關(guān)，一個ICSP下載口，支持USB接口，可通過USB接口供電，也可以使用單獨(dú)的電源供電。

Arduino的開發(fā)環(huán)境是以AVR-GCC和其他一些開源軟件為基礎(chǔ)，采用JAVA編寫的，軟件無需安裝，下載完成解壓縮后就可以直接打開使用了。當(dāng)把程序上傳到Arduino時，它會自動把代碼轉(zhuǎn)換成C語言，再傳給AVR-GCC編譯器，然后把代碼最終編譯成微處理器能接收的指令。這些都是Arduino UNO很重要的一部分，因為它隱藏了復(fù)雜的編譯過程，讓使用者以盡可能簡單的方式去控制微處理器。

1.2.2微處理器Arduino接線操作

屏幕和Arduino nano的I2C口連接時, SDA 線接A4口，SCL線接A5口。Sharp GP2Y1010AU 有6根接線通過購買的DF robot轉(zhuǎn)接器，分出兩根數(shù)據(jù)線，其中模擬輸出線接Arduino A0口，數(shù)字輸入線接D2口。

1.1 材料與試劑 紫椴花，于2018年7月5日09：00—10∶00采自吉林省吉林市左家鎮(zhèn)吉林特產(chǎn)研究所，為紫椴新鮮花朵。將采集到的新鮮紫椴花朵儲存于大口具塞玻璃采樣瓶中，當(dāng)日完成分析測試。

1.2.3粉塵傳感器簡介

該設(shè)計測量空氣中粉塵濃度采用夏普GP2Y1010AU0F粉塵傳感器，夏普GP2Y1010AU0F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,是根據(jù)顆粒擋住紅外光對pwm波形的影響來測量粉塵濃度的，采用與粒子計算器相同原理為基礎(chǔ),檢測出單位體積粒子的絕對個數(shù)。

夏普GP2Y1010AU0F粉塵傳感器具有尺寸小、重量輕、易安裝等優(yōu)勢，能夠靈敏檢測直徑0.8 μm以上的粒子，內(nèi)置加熱器可實(shí)現(xiàn)自動吸入空氣的功能，保養(yǎng)簡單，便于長期保持傳感器的特性。廣泛應(yīng)用于空氣清新機(jī)、空氣調(diào)節(jié)器、空氣質(zhì)量監(jiān)測儀等。夏普傳感器內(nèi)部有一個紅外發(fā)光二極管和一個光學(xué)傳感器。每次從D口接收信號都會觸發(fā)紅外管發(fā)光，并有光學(xué)傳感器捕獲，其中的空氣如果被灰塵遮擋則會引起PWM波形的高低變化，經(jīng)過外部220μf電容平滑方波，形成可被測量模擬波形。

2　手機(jī)端APP設(shè)計

2.1App設(shè)計思路

大氣顆粒物作為對人體健康危害巨大的污染物，尤其是細(xì)顆粒物可以對人體心血管和呼吸等多個系統(tǒng)造成傷害。我國多數(shù)的地區(qū)PM2.5污染比較嚴(yán)重，人體過度暴露在空氣顆粒物中導(dǎo)致的健康問題也比較多。因此，開展污染物暴露評價，從而確定人體在污染物中的實(shí)際暴露水平有著十分重要的意義。對于污染物來說，其濃度限值只是考慮了環(huán)境中的污染物強(qiáng)度，而人體的呼吸是空氣污染物從外界進(jìn)入人體內(nèi)的主要途徑，所以根據(jù)人體的吸入暴露做出暴露評價能夠更好地反映空氣污染對身體健康的危害[6]。

筆者介紹了吸入暴露的評價方法，并以市區(qū)為例，以PM2.5為標(biāo)靶，對各年齡段人員的污染暴露水平進(jìn)行了分析探討。從而以此來設(shè)計相應(yīng)監(jiān)測計算以及評估PM2.5的綜合app，來幫助人們管理生活，使生活更健康。

2.2系統(tǒng)方案

系統(tǒng)方案采用Android操作系統(tǒng)，基于Eclipse，以Java語言和HTML語言開發(fā)。

2.3功能與指標(biāo)

依據(jù)個體的年齡和運(yùn)動狀態(tài)，結(jié)合監(jiān)測手表監(jiān)測到的PM2.5數(shù)值來計算PM2.5的總吸入量，幫助人們更好地了解自己目前吸入量以及更好的規(guī)劃之后的生活，遠(yuǎn)離PM2.5帶來的危害。在軟件中設(shè)置PM2.5的警告閾值，一旦超過這個值，軟件將會向用戶之前設(shè)置好的好友發(fā)送短信提醒，幫助好友及時了解身邊空氣的狀況。將軟件采集到的數(shù)據(jù)上傳到云端，帶來更詳盡的PM2.5數(shù)值，方便其他人了解，同時也為科學(xué)分析提供數(shù)據(jù)來源。

2.4實(shí)現(xiàn)原理

暴露是指在一定時間內(nèi)，接觸一定濃度污染物的過程，是評價空氣污染物遷移、分布對人體影響的重要參數(shù)，也為流行病學(xué)以及健康風(fēng)險評價的研究提供了基礎(chǔ)參數(shù)。對于顆粒物來說，主要通過人體呼吸進(jìn)入到體內(nèi)的。根據(jù)人體暴露采用的吸入暴露概念，可以計算一定時間內(nèi)的人體吸收顆粒物的潛在劑量評價實(shí)際人體的暴露狀況。因此，顆粒物的吸入暴露評價是采用相對暴露的時間、濃度和呼吸速率的乘積進(jìn)行積分，即：

(1);

(1)式中，Dpot是顆粒物的吸入暴露量(mg)；、分別為暴露時間段起始以及最終時間(h)；c(t)是隨著暴露時間而變化的顆粒物的質(zhì)量濃度(mg)；I是隨著暴露時間而變化的人體呼吸速率(h)；t是暴露時間(h)。進(jìn)行不連續(xù)的暴露時間段的顆粒物的吸入暴露量計算：

Dpot=∑ci×IRi×ti

(2)；

(2)式中，ci為顆粒物的質(zhì)量濃度(mg)；I為人體呼吸速率(h)；ti為第i個的暴露時間(h)。

2.5軟件流程

用戶先開啟藍(lán)牙，將設(shè)備與手機(jī)配對，然后設(shè)置用戶群體，這樣就完成了基本的設(shè)置。之后設(shè)置提醒的閾值，當(dāng)檢測到PM2.5的數(shù)值超過這個的時候，就會發(fā)出自動警告。還可以設(shè)置運(yùn)動種類，點(diǎn)擊開始統(tǒng)計后，軟件將自動計算出該段時間內(nèi)吸入的PM2.5的量。

3　實(shí)物制作

經(jīng)過試驗，完成了手表的初步制作。該設(shè)備已可以實(shí)現(xiàn)基本功能。該表成本在80元左右，具有廉價與便攜的特點(diǎn)，可以在戶外多點(diǎn)測試中具有優(yōu)勢(圖2)。

圖2　PM2.5檢測智能手表的初步制作

4　結(jié)論

該設(shè)計利用時下比較流行的開放物聯(lián)網(wǎng)硬件平臺Arduino與安卓操作系統(tǒng)完成了PM2.5檢測方案的制作與測試。經(jīng)測試，該檢測系統(tǒng)工作正常，測試結(jié)果在一定范圍內(nèi)具有很高的參考價值，為用戶的健康出行提供了保障。總體而言，該檢測方案實(shí)現(xiàn)了以下功能：①能夠準(zhǔn)確檢測空氣中的PM2.5的含量；②根據(jù)實(shí)時監(jiān)測結(jié)果能夠?qū)Ξ?dāng)前空氣質(zhì)量做出準(zhǔn)確評估；③手機(jī)端APP能夠與Smart Block 實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，對PM2.5信息進(jìn)行在線分享；④成本更低，更易于制作，易操作。

與其它同類PM2.5檢測方案相比，設(shè)計具有以下特色：①手表式外觀設(shè)計，美觀時尚，輕便易攜帶；②性價比較高，適宜普遍推廣；③具有相匹配的APP，更加切合物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢。

該設(shè)計也存在很多不足之處：設(shè)計應(yīng)用于單點(diǎn)測量，在范圍估測上有很大的局限性與不準(zhǔn)確性，同時該

設(shè)計出于成本考慮采用UNO R3版本，使裝置在體積上變大，改進(jìn)時可以采用Lilypad使裝置減小體積大小，從而達(dá)到更便攜的效果。

[1]戴海夏. 大氣PM2.5的健康影響[J].國外醫(yī)學(xué)(衛(wèi)生學(xué)分冊), 2001(3).

[2]傅敏寧. PM2.5監(jiān)測及評價研究進(jìn)展[J].氣象與減災(zāi)研究,2011.

[3]黃金力. 論P(yáng)M2.5監(jiān)測的重要性[J].城市建設(shè)理論研究(電子版),2013.

[4]王磊. PM2.5監(jiān)測技術(shù)要點(diǎn)及意義探討[J].城市建設(shè)理論研究(電子版), 2014.

[5]陳向國, 郝吉明.實(shí)現(xiàn)PM2.5治理目標(biāo)第一階段很關(guān)鍵[J].節(jié)能與環(huán)保, 2012.

[6]季海榮. 人體室內(nèi)外PM2.5吸入暴露研究[J].環(huán)境污染與防治》,2014.

2016-07-19

鄢世陽(1994—)，男，大連理工大學(xué)學(xué)生。

TP311

A

1674-9944(2016)16-0040-03