無線空氣質量PM2.5測量系統的研究

李巖 葛冬杰 曹寧 袁玉先 陳振軍 林國治 翟璐

青島濱海學院機電工程學院，山東青島 266555

一、引言

隨著中國現代工業化進程加快和城市化的發展，及排放到空中的汽車尾氣越來越多，農業焚燒秸稈的面積不斷增大，我們所居住生活的環境大氣質量逐漸下降，人們漸漸意識到空氣中的粉塵顆粒對健康的危害不可忽視。

PM2.5是指環境空氣中直徑小于或等于2.5μm的顆粒物，PM2.5粒徑小、面積大、活性強、易附帶有毒、有害物質，且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠，濃度過高，可能導致人體呼吸、內分泌、心血管、神經及免疫等系統疾病的發生，嚴重影響身體健康。空氣中的不同顆粒的形成方式不盡相同。[1][2]表1給出不同污染源形成的不同顆粒物。

本研究中的測量方法是采用粉塵傳感器測量空氣中的PM2.5值，傳感器輸出與PM2.5濃度相關的電壓信號，并輸送到單片機中，數據處理后，通過無線傳輸模塊將數據傳送至手機或計算機，計算機對大量數據進行處理后可了解近期每天的空氣質量情況。[4]

表1 空氣中若干種顆粒的百分比[3]

二、實驗硬件電路設計

本測試裝置中主要結構包括粉塵傳感器、單片機、無線發射模塊、液晶顯示模塊。圖1為監測系統的結構框圖及硬件結構全圖。首先采用粉塵傳感器對空氣中粉塵濃度進行檢測，將粉塵濃度轉換為電壓信號，然后經過單片機進行A/D轉換，然后通過無線發射模塊進行信號的發射，終端接收模塊進行信號的接收。

1、粉塵傳感器

粉塵傳感器的型號為GP2Y1014AU0F，用于PM2.5濃度值檢測，這是夏普公司生產的新型光學質量傳感器，傳感器中心有個洞可以讓空氣自由流過，內部對角安放著紅外線發光二極管和光電晶體管，定向發射LED光，通過檢測經過空氣中灰塵折射過后的光線來判斷灰塵的含量，可測量0.8μm以上的微小粒子，輸出的模擬電壓正比于所測得的粉塵濃度，靈敏度為0.5V/(0.1mg/m3)，工作電壓為-0.3V～+7V，電源電壓在5V左右，通過MCU對其進行脈沖驅動，I/O口采集其模擬量，并利用A/D轉換得到與模擬量對應的空氣質量值。外形及狀態圖如圖2所示。

2、單片機

單片機處理單元的型號分別為STC15F2K60S2、STC89C52，其中STC15F2K60S2控制粉塵傳感器和無線通訊模塊，STC89C52控制液晶顯示器及時鐘。圖3為單片機STC15F2K60S2和STC89C52的連線原理圖。

3、無線發射模塊

無線發射模塊采用果云A6模組，工作電壓為3.3V～4.2V，開機電壓大于3.4V。模組支持GSM/GPRS 4個頻段，包括 850,900,1800,1900MHZ；支持語音通話、SMS 短信、GPRS 數據業務、2G /3G/4G移動卡/聯通卡，支持標準 GSM07.07,07.05 AT 命令及 Ai Thinker 擴展命令，有2 個串口，一個下載串口，一個 AT 命令口。此模塊在電路中與MCU進行連接，進行數據的通信與傳輸，發送對應的AT指令對其進行數據發送操作。

4、液晶顯示器

顯示采用的是LCD1602，它能夠同時顯示16×02即32個字符。1602采用標準的16腳接口，8個數據位，內部采用ASCII顯示。在該儀器中的作用是從DS1302中讀取的時間以及對采集的濃度值顯示，可以讓使用者直觀地觀測到當前時間及濃度值的變化。

5、時鐘電路

采用DS1302芯片完成定時功能，該芯片是由美國DALLAS公司推出的具有涓細電流充電能力的低功耗實時時鐘芯片，可以對年、月、日、周、時、分、秒進行計時，且具有閏年補償等多種功能，主要特點是采用串行數據傳輸，可為掉電保護電源提供可編程的充電功能，并且可以關閉充電功能。采用32.768kHz晶振，通過MCU的I/O口對其進行操作編程便可讀取內部數據。

三、軟件設計

當儀器啟動后，軟件部分進行初始化，對各個硬件進行參數檢查，如通訊模塊有無開啟等，如不符合則會重新啟動，如果正常則會繼續運行。

功能分為兩大功能：定時發送功能和預警功能。定時功能主要是當DS1302芯片計時時間到達人為設定的時間時，MCU處理器隨之給檢測空氣質量傳感器一個信號進行數據采集，MCU并進行讀取保存，同時MCU會通過通信系統將數據發送到手機并將數據傳送給LCD1602進行顯示，檢測有沒有發送成功，如果發送成功會將內置標志位置1，隨后軟件復位，為下一次發送做準備，反之重新發送。預警功能主要是在MCU內設定濃度值，如若采集濃度值到達該值時，MCU會將數據發送到手機并將數據傳送給LCD1602進行顯示。如果沒有到達濃度值便繼續進行實時檢測。整個流程主要完成定時、顯示、通訊、檢測四大部分的功能。系統中的定時部分是每天可對每個時間點進行定時設置，儀器便會在每個定時點進行采集PM2.5數據，發送到手機和上位機進行數據分析。圖5為實驗中的數據流程圖。

四、實驗結果采集與數據分析

目前有檢測站利用簡易玻璃纖維濾膜在空氣中停留2個小時，從早晨9:00至11:00時間段內玻璃纖維濾膜吸附微顆粒物的情況為樣品。首先對濾膜進行處理，每張濾膜在進行采樣前需用光照檢查，把含有針孔和其他缺陷的濾膜剔除。[5][6]將附著有微顆粒物的玻璃纖維濾膜放置于檢測系統采樣器內，激光器發射的激光首先通過一張沒有附著顆粒物的濾膜，玻璃纖維濾膜的透光性很好，以便在另一側用光敏電阻接收激光光強，通過放大電路將光敏電阻的電阻變化經電路進行放大后，得到相應的電壓值，將電壓值與PM2.5值進行正向對比，從而得到采樣數據，根據清晨大氣污染情況對樣品進行連續采樣測試，得到與輸出電壓相應的PM2.5值，進行從量上分析大氣污染情況。[7]

我們預先將一定質量的微顆粒物吸附于吸塵紙上，然后經系統進行測試得到輸出電壓值，以求得到電壓與PM2.5的相對應值。將理論值（指對大氣污染程度級別的理論值）與實測值進行對比，得到相應的大氣污染情況。由于空氣中的粉塵微粒體積小，重量輕，所以粉塵試紙容易吸附這些微粒，使測試結果的采集工作較易完成。

采用搭建好的測試設備系統對不同時間、地點的空氣質量進行監測，并對數據進行分析處理，得到空氣中PM2.5值如圖6所示。本系統的監測地點距離Airsisual軟件青島黃島區監測子站大約4km左右，測量值與其公布的數據有一定誤差，大約在±10μg/m3。

從圖中我們可以直接看到PM2.5值的變化情況。5月10日上午從6點至12點，PM2.5從35μg/m3到47μg/m3，根據空氣污染指數的定義范圍，可知空氣質量為優，為I級。5月12日污染情況較為嚴重，上午10點時濃度值最小為70μg/m3，而中午12點已經超過了500μg/m3，達到嚴重污染等級。

五、結語

本實驗中采用的光電傳感器檢測微粒濃度的方法，原理簡單，檢測方便，精度高，測量結果靈敏度高，能實時監測空氣質量，對于在空氣質量較差時的環境情況，監測數據能通過無線模塊進行發射傳輸，起到及時預警的作用，傳輸模塊成本低，信息顯示簡單易懂。本設計的產品可在工廠，學校，醫院、道路交通站等需要對環境進行檢測的地點使用，應用性廣泛。