基于RaspberryPi的車載空氣質量檢測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

周潔　孟強　李陽冬　王瑾

摘 要：空氣質量檢測系統(tǒng)是在了解大氣污染狀況和提出治理措施中必不可少的環(huán)節(jié)，它在空氣污染及其保護中扮演著重要角色。提出一種基于Raspberry Pi的車載空氣質量檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)以車輛為載體，采用Raspberry Pi（B+）數(shù)據(jù)處理單元，利用GPS定位技術、PM2.5等傳感技術和GPRS技術對城市道路空氣質量狀況進行實時動態(tài)的檢測與上傳，該系統(tǒng)具有低成本、實時性強且精度高的特點。

關鍵詞：空氣質量檢測；Raspberry Pi；GPS；PM2.5

中圖分類號：TN107 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）06-00-03

0 引 言

城市空氣檢測是城市環(huán)境保護和治理必不可少的前提，為了及時制定有效的污染防治措施，須對大氣環(huán)境狀況有著全面具體的了解，實時掌握環(huán)境污染程度。空氣質量檢測可以實時高效的提供空氣質量數(shù)據(jù)，辨識空氣污染程度，預報空氣質量變化趨勢，預防較為嚴重的污染事件發(fā)生。

目前，在環(huán)境空氣質量檢測方面主要采用兩種方法：一種是傳統(tǒng)的人工取樣分析法。其首要弊端是實時性差，且檢測結果容易受人為影響而產生較大偏差；另一種是采用國外進口的自動化大氣環(huán)境監(jiān)測站系統(tǒng)進行在線監(jiān)測。雖然此設備可以準確的對大氣環(huán)境進行監(jiān)測分析，但它的不足之處在于價格昂貴、運營成本高、難以維護和移動性差等，所以很難在我國大面積普及。本文提出了一種基于Raspberry Pi的車載空氣質量檢測系統(tǒng)，該設計以車輛為載體，采用Raspberry Pi（B+）做數(shù)據(jù)處理單元，利用GPS定位技術和PM2.5等傳感技術實現(xiàn)對城市空氣質量的實時動態(tài)檢測與上傳，具有低成本、實時性強和高精度等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)設計

如圖1傳感器模組所示，本系統(tǒng)利用PM2.5傳感器模塊、一氧化碳傳感器模塊和溫濕度傳感器模塊實時采集當前城市道路空氣中的PM2.5濃度值、一氧化碳濃度值和溫濕度值信號。將采集的數(shù)據(jù)傳向Raspberry Pi數(shù)據(jù)處理器進行分析處理，同時通過GPS定位模塊精確地定位車輛位置信息。GPRS通信模塊可以將合并后的信息實時上傳到Azure云服務端，為有關部門以及用戶提供可靠的空氣質量信息。系統(tǒng)開發(fā)有語音模塊，該模塊能夠實現(xiàn)移動檢測過程中的實時人機語音交互。當收到播報指令會自動檢測語音播放數(shù)值，當檢測到當前環(huán)境污染較為嚴重時，語音模塊可以自動播報污染提示信息。

圖1 車載空氣質量檢測系統(tǒng)

2 硬件設計

（1）PM2.5傳感器模塊

PM2.5傳感器模塊采用MQ135傳感器模塊。其原理是當傳感器檢測到當前環(huán)境中的污染氣體時，其電導率就會隨著污染氣體的濃度增加而增大。同時利用外圍電路模塊將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號，實現(xiàn)對當前城市道路空氣中PM2.5濃度值信息的采集處理。

（2）一氧化碳傳感器模塊

一氧化碳傳感器模塊采用MQ7傳感器模塊，實現(xiàn)對當前城市道路空氣中一氧化碳含量信息的采集處理。圖2為一氧化碳傳感器模塊原理圖。

圖2 MQ7傳感器模塊原理圖

（3）溫濕度傳感器模塊

溫濕度傳感器模塊采用DHT11傳感器模塊，其內部傳感器由一個電阻式感濕元件和一個NTC（負溫度系數(shù)熱敏電阻）測溫元件構成，是一種復合式傳感器，它的輸出只有數(shù)字信號。所以被廣泛應用于數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，實現(xiàn)對當前城市道路空氣中溫濕度信息的采集處理。圖3為溫濕度傳感器模塊原理圖。

圖3 DHT11傳感器模塊原理圖

（4）Raspberry Pi數(shù)據(jù)處理器

Raspberry Pi數(shù)據(jù)處理器采用Raspberry Pi（B+）型號，是一款基于博通ARM11 BCM2835的數(shù)據(jù)處理器。Raspberry Pi（B+）的CPU工作頻率為700 MHz，有4個USB口，自帶512 M RAM，40個GPIO（通用輸入/輸出）接口和音頻視頻接口等。通過GPIO接口連接各模塊，完成系統(tǒng)的動態(tài)檢測。圖4所示為傳感器模塊與Raspberry Pi連接示意圖。

圖4 傳感器模塊與Raspberry Pi連接示意圖

3 軟件設計

車輛啟動前打開位于車輛外部頂端的車載空氣質量檢測系統(tǒng)的開關，使該系統(tǒng)處于初始化狀態(tài)下，啟動GPS定位模塊，當車輛開始運行時，實時對車輛位置進行精確定位，同時啟動ISD1820語音模塊，等待用戶發(fā)出有效的語音命令即執(zhí)行相應操作。

車輛行駛過程中，該系統(tǒng)的Raspberry Pi（B+）數(shù)據(jù)處理器實時接收來自MQ135 PM2.5傳感器模塊、MQ7一氧化碳傳感器模塊和DHT11溫濕度傳感器模塊所采集到的當前道路空氣中PM2.5濃度值、一氧化碳濃度值和溫濕度值信號，同時通過GPS定位模塊準確定位車輛位置，將信息合并后再通過GPRS通信模塊實時向Azure云服務端上傳信息。圖5為該系統(tǒng)的軟件設計流程圖。

圖5 系統(tǒng)軟件設計流程圖

Raspberry Pi（B+）數(shù)據(jù)處理器控制傳感器模組采集數(shù)據(jù)信息，溫濕度采集示例程序如下：

int Tem_val[5]={0，0，0，0，0}；

int Tem_read_val（）{

uint8_t l_state=HIGH；

uint8_t j=0，i；

uint8_t counter=0；

for（i=0；i<5；i++）

Tem_val[i]=0；

//傳感器初始化

pinMode（TEM_PIN，OUTPUT）；

digitalWrite（TEM_PIN，LOW）；

delay（10）；

digitalWrite（TEM_PIN，HIGH）；

delayMicroseconds（20）；

//接收采集數(shù)據(jù)

pinMode（TEM_PIN，INPUT）；

for（i=0；i

{

counter=0；

while（digitalRead（TEM_PIN）==l_state）

{

counter++；

delayMicroseconds（5）；

if（counter==255）

break；

}

l_state=digitalRead（TEM_PIN）；

if（counter==255）

break；

if（（i>=4）&&（i%2==0））{

Tem_val[j/8]<<=1；

if（counter>16）

Tem_val[j/8]|=1；

j++；

}

}

//輸出采集數(shù)據(jù)

if（（j>=40）&&（Tem_val[4]==（（Tem_val[0]+Tem_val[1]+Tem_val[2]+Tem_val[3]）& 0xFF）））

{

printf（"%d，%d＼n"，Tem_val[0]，Tem_val[2]）；

return 1；

}

else

return 0；

}

4 結 語

本系統(tǒng)采用基于Raspberry Pi（B+）數(shù)據(jù)處理器進行設計，通過多方位的傳感器檢測和實時傳輸實現(xiàn)動態(tài)、高精度的車載空氣質量檢測系統(tǒng)。其檢測結果在城市局部空氣質量評估、環(huán)保相關的交通政策制定、道路空氣污染控制與治理方面有著重要的應用價值。

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