基于移動端空氣質量檢測顯示系統開發

馮永發+陳毅楓+張士同+陳景霞

【摘要】隨著城市工業化的不斷發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技術和安卓開發技術等，主要包括用戶界面設計模塊、空氣質量監測模塊和云端服務器模塊。

隨著信息化時代的發展，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。中國不少地區把陰霾天氣現象并入霧一起作為災害性天氣預警預報。統稱為“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、系統的總體架構設計

過去傳統模式測量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。空氣從粗頭進，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。

本項目的主要創新點在于滿足了個人空氣質量監測的需求。通過運用物聯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。這充分體現了物聯網與移動互聯網相融合的優勢。

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?？刂颇K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、轉發和指令發送等，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。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測儀，環保局監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務平臺。在應用層利用Android開發技術，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上己發展成熟的諸多開放和統一的標準，如基于廣泛使用的HTTP協議，基于簡單而又易用的XML數據格式。

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

五、總結

本文針對傳統空氣凈化器存在的凈化時間長、空氣質量監測數據無法精確顯示的問題，設計了一種基于物聯網技術的智能空氣質量檢測系統。通過實測驗證，完全實現了對環境空氣質量狀況的遠程實時監測，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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