基于ESP8266的粉塵監測儀設計策略

徐宇帆，楊宇昊，趙博，薛世雨，楊雨橋

（成都信息工程大學電子工程學院，四川 成都 610000）

近幾年，我國物聯網技術的發展近乎突飛猛進，且部分地區受到霧霾等不良天氣的影響十分明顯，因此，加快速度建立能夠覆蓋全國的粉塵監測系統屬于迫在眉睫的必要工作。若要將物聯網技術和氣象監測工作相互結合，能夠更加有利于民間霧霾監測能力的提升。同時，還能在原本的工作系統中加入功能更加豐富的節點，將城市大氣監測系統的價值和工作效率實現最大化提升。但是，加上系統直接和互聯網相互連接的成本投入比較高，且網絡架構本身也不適合接入單個設備，因此，在ESP8266基礎上設計監測儀屬于最佳選擇。這樣的工作方式不僅不會產生浪費，且成本控制也比較方便，發展前景良好。

1 粉塵監測儀設計原理

傳統的粉塵監測儀工作原理基本都是光學方法，主要可以劃分為兩種類型，一種是紅外粉塵監測儀，另一種則是激光粉塵監測儀。其中的紅外粉塵監測儀用的是比較節約能源的LED光源，空氣進出設備依靠的就是內置加熱器，其加熱引起氣流上升，最終產生空氣流動的效果。若有顆粒物質經過風道，則設備中的光敏零件就能夠監測并換算出空氣中的顆粒濃度。這種設備的優勢在于成本低，但也有明顯的缺陷，就是其能夠監測到的最小粉塵顆粒僅能達到1μm，檢測的精確度比較低。而激光粉塵監測設備的內部結構和電路和上一種相比更加復雜，其光源也改換成為激光二極管，其結構如圖1所示。

圖1 激光粉塵監測儀內部結構

在空氣中的粉塵進入激光監測區域后，激光就會在空間內實現360°散射，其能夠監測到的最小粉塵顆粒為0.3μm，風道的設計也是迷宮式，因此，監測工作落實不會受到自然光的干擾。且該設備不需要預熱，開機后就能直接開始落實工作，在性能方面的優勢十分明顯。但需要注意的是，此種設備成本比較高，在常規工作狀態中就會產生很大的功耗。近幾年，優化后的激光粉塵監測設備已經開發出了休眠模式，能夠有效改善其功耗高的問題，同時，隨著技術水平提高，該設備的造價也逐漸降低，激光粉塵監測設備替代紅外粉塵監測設備已經成為必然發展趨勢。

具體設計可以某監測儀為主，設備的功能如圖2所示。

圖2 某粉塵監測儀的功能

該設備的主控模塊是ESP8266-201，負責的工資就是鍵盤、傳感器以及顯示屏等環節的控制，利用無線路由器與服務器端實現通信。ESP8266屬于一種比較完善的智能互聯模塊，自身具有完整且獨立的網絡解決方案，與當下市場上常見的物聯網技術之間契合程度也比較高。ESP8266本身的優勢除了成本低外，還有內置資源豐富以及使用方式多樣化等幾種，一方面，能夠作為主控芯片實現獨立的運行；另一方面，也具有通信功能。在保障主控芯片順利地與互聯網相互連接外，ESP8266中還具備高精度接口，用戶只需要在開發工具包中展開芯片編程工作，即可在設備內置功能單元的輔助下實現對外部電路的控制。

例如，某企業及開發的激光粉塵監測設備，此種設備能夠使用UART接口和ESP8266-201模塊實現通信，同時，還能全天候地實時監測空氣中的PM2.5以及PM10含量，再通過無線網絡通信接口就能夠將數據通過互聯網上傳到服務器端口當中。設備本身每隔一段時間就會喚醒一次，這是為了方便落實數據采集工作，且在采集的同時其還能夠直接將找到的數據傳輸到服務器內，結束上述工作后，該設備就會繼續進入低耗能模式。

若監測發現的數據比國家標準高，則高設備就會啟動背光屏，并提醒用戶，若用戶選擇了ESP8266喚醒傳感器，設備就會進入連續采集和測量讀數的階段。并將數據實時顯示在LCD屏幕上，方便用戶隨時獲取信息，這項功能會在喚醒的5min后重新進入低耗能模式，并等待時間正常進入下一輪的監測工作。

此種設備的電路中，ESP8266模塊屬于設備的主控模塊，經過正確的編程能夠定期喚醒設備并落實粉塵濃度檢測工作。且這種設備中的電路全部是以并聯的方式連接，這樣即便其中一個模塊產生了故障，也不會影響設備中其他模塊的工作效果。

2 軟件設計

某基于ESP8266的粉塵監測儀開發包是Non-OS SDK，這種開發包不基于操作系統，需要根據設備的定時器以及回調函數等，對整個監測工作效果僅相應。若條件允許，該設備還會觸發特定的功能函數目的，在監測設備開始工作后，開發包的程序就能夠實現初始化，并調用相應的函數展開用戶自動以功能初始化工作。該設備的主要任務就是建立定時器并合理綁定定時器的回調函數，配置好按鍵端口并綁定回調函數后，無線網絡單元也就能夠實現初始化的目的，若在設備周邊，即就能夠通過熱點自動連接。若是短按按鍵，則可以將設備喚醒并展開相應的測量工作，喚醒好屏幕以及設備本身后，工作人員就要做好狀態標志位的工作，保障設備回調函數以及定時等工作細節嚴格符合標準。需要注意的是，該技術更適合設備屏幕菜單簡潔的終端設備，用戶即便不經常按鍵操作設備，其本身也能夠通過無線網連接功能和密碼實現聯網目的。

在通過初始化函數對定時器展開初始化工作的階段，設備每1s都會觸發一次定位器中斷效果，同時，設備程序也會跳轉到定時器展開回調函數相關的工作。這種函數除了可以將收集的數據上傳到服務器中，還能夠將即時測量模式的數據通過更新的方式突出即時測試環節。

在設備本身計時時間＞5min時，可以對其無線網連接情況進行檢查，并喚醒設備讀取數據，最終促使設備和服務器之間建立TCP連接并將數據資料上傳。若此時得到的數據＞國家標準，則需要將設備的屏幕以及背光打開提示用戶。若粉塵監測儀處于實時監測的工作模式中，技術人員就要判斷即時測量模式的終止時間是否能夠促使設備外圍硬件關閉，同時，退出當前模式。在此階段，若用戶沒有在即時設備的檢測模式終止之前讀取粉塵監測數據，則讀數就會直接更新。

3 設備測試

基于ESP8266的粉塵監測儀設計整機測試工作的落實，可以某設備為例，該設備能夠使用樂聯網的免費用戶接口創建工作。同時，根據TCP通信接口通信協議以及服務器本身達到上傳數據和協議內容的目的，技術人員先將檢測的數據整合成為數據包，并設定時間要求其按時發送到服務器中，其優勢和便捷之處在于，能夠直接形成氣象地圖，十分方便對環境中粉塵濃度進行掌握和了解。且這樣的工作方式與大數據技術相互配合也能達到更好的工作效果，技術人員對案例中的設備分別展開了溫度、老化以及跌落振動的試驗，最終結果表明，設備能夠在正常測量和上傳數據帶服務器中的同時，保持每5min采集一次數據的頻率，還能夠直接將采集的每組數據整理成為空氣中粉塵濃度變化的趨勢圖。

這種趨勢圖的橫軸代表時間，縱軸顯示的是粉塵濃度，數據單位為μg/m3。經過分析，該技術人員發現在當地的每天0～6時，城市中的大部分生產活動處于休整狀態，因此，粉塵濃度不高。6～12時，城市生產活動逐漸增加，也就帶動了空氣中的粉塵濃度提升，直到18時，該粉塵監測儀設置在廚房附近，因此，受到油煙的影響，檢測到的數據加速提升，一段時間后又恢復了正常水平。

4 結語

綜上所述，基于ESP8266的粉塵監測儀設計更適合將設備產品化生產，且相關實驗表明，這種設備能夠十分穩定的對環境中的粉塵濃度進行監測。不僅如此，其在多種環境中的適用程度都很高，除了居家之外，在辦公環境等有無線網絡信號覆蓋的區域應用效果都很好，市場價值十分明顯。