基于3D打印與單片機實現PM2.5監測裝置的研究

吳亮 王澤國 邵鴻銘

摘 要：PM2.5濃度作為衡量大氣污染的指標之一，值得我們時刻關注。文章設計了一種PM2.5濃度檢測裝置，利用激光散射來采集數據，通過WiFi模塊傳送到服務器，將采集結果呈現給用戶，來指引市民的出行規劃。

關鍵詞：STM32；PM2.5；3D打印；光散射法

1 系統整體設計

本文介紹了一種PM2.5實時監測裝置，配合3D打印技術，達到了使用戶方便地實時監測遠程局部空氣的污染情況，并且實現裝置外觀的可定制化。以通達學院作為測試場地，使用灰塵傳感器采集數據，通過ESP8266芯片發送數據到服務器，實現液晶屏上和遠程網頁端的實時顯示。整體框架如圖1所示[1]。

感知層，將組裝好的樣機布置在人員較為密集的區域，例如食堂、操場、宿舍、教室、實驗室等區域。通過對這些區域的數據采集，對學校的空氣質量情況做出整體評估。

網絡層，將收集到的數據處理后存儲在數據庫中，傳輸協議采取TCP/IP協議[2]。

應用層，在數據被處理并存入數據庫之后，將由網頁端和遠程顯示端進行請求，最終顯示出來。本設計采用MySQL數據庫，在存儲數據時考慮到數據數目的龐大，通過優化SQL語句以及表結構極大的加快了查詢速度。考慮到實際情況，對網頁進行了兼容性的優化，在IE8以后的版本上正常顯示，同時在用戶訪問時，通過AJAX技術實現數據的異步刷新，增強用戶體驗。通過架設Web服務器，可以將空氣質量情況實時的顯示在頁面上。

2 硬件系統設計

以實現采集數據并實時顯示在液晶顯示屏和遠程端口上為目的，系統硬件主要以3個部分構成。系統以STM32F103為核心，利用其性價比高，拓展性強的優勢，搭建一個嵌入式的平臺。

2.1 數據采集單元

采集區域內的PM2.5濃度，并輸出數字信號。本系統使用SDS011灰塵傳感器，通過激光散射原理實現數據測量[3]。傳感器通過發送數據幀（10字節），數據幀包括報文頭+指令號+數據（6字節）+校驗和+報文尾，PM2.5數據最終由數據部分的第一字節和第二字節組成（PM2.5（μg/m3）=（（第一字節×256）+第二字節/10）。傳感器還配有風扇，保證空氣流動，增強采樣精度。

2.2 數據傳輸與顯示單元

本單元實現了將采集的數據經由WiFi模塊發送至服務器端并將MCU收集到的數據展示在液晶屏上的功能。采用ESP8266串口WiFi模塊連接無線網絡[4]，通過STM32的可變靜態存儲控制器（Flexible Static Memory Controller，FSMC）外設，提高了通信效率，能夠實時地將數據顯示出來。

2.3 3D模型設計

我們選用SolidWorks軟件設計模型[5]。在模型設計方面，可以設計不同的模型來適應場地的需要，在第四大項系統實現中，我們給出一個設計好的模型。

3 軟件系統設計

本單元實現了數據采集與處理，并將結果展現用戶，該系統使用超文本預處理器（Hypertext Preprocessor，PHP）語言開發，AJAX異步刷新使得數據實時顯示在網頁端。搭建服務器，選用MySQl數據庫存儲數據，多個監測裝置通過TCP協議，將信息存儲到數據庫[6] 。功能執行流程如圖2所示[7]。

4 系統實現

根據以上設計思路，開發了基于3D打印的PM2.5實時監測系統，并進行了實地測試，本系統的實際使用情況良好，能夠方便準確地反映校園的空氣質量情況。

圖3為液晶顯示屏截圖，能夠做到實時顯示，圖4為網頁端截圖，異步刷新數據，圖5為我們打印出的模型。最終，將組裝好的單片機置入模型中，于腹部開口放置顯示屏，于背部隱蔽處開口作為通風口。

本次測試截取了2018年11月25號學生宿舍的PM2.5的歷史數據。

5 結語

本系統運用了傳感器、網絡技術以及微型計算機技術，形成了一個靈活的、智能化的PM2.5監測系統，具備多點實時監測、監測數據的存儲與統計、移動終端的便捷性以及3D打印的靈活性等特點，實現了對校園空氣質量的實時監測，通過3D打印技術，大大降低系統的成本，克服了傳統終端設計造價高、復雜等缺點，并提供了可定制化的可能。本系統通過分享特定區域空氣質量情況，利用網絡的便捷性，使人們更及時地獲取信息，合理地安排出行計劃。

[參考文獻]

[1]史姣姣，張澤勝.基于物聯網技術的PM2.5監測系統[J].通信技術，2018（5）：1142-1147.

[2]李光明，孫英爽，黨小娟.基于安卓的遠程監控系統的設計與實現[J].計算機工程與設計，2016（2）：556-560.

[3]郭浩.激光散射法與β射線散射法測量環境空氣中顆粒物質量濃度的差異[J].環境與可持續發展，2015（3）：195-197.

[4]王亞超.基于無線傳感器網絡的城軌列車運行能耗數據采集系統設計[D].北京：北京交通大學，2015.

[5]余冬梅，方奧，張建賦.3D打印材料[J].金屬世界，2015（5）：6-13.

[6]LUKE W，LAURA T.PHP和MySQL Web開發[M].北京：機械工業出版社，2009.

[7]侯琛，趙千川，馮浩然，等.一種物聯網智能數據采集系統的研究與實現[J].電子測量技術，2014（5）：96-102.