基于MIE理論的室內便攜式顆粒物檢測儀設計

趙小強　彭紅梅　張朋波

摘 要： 針對傳統監測設備難以安裝維護、響應速度慢的問題，設計一種基于光散射理論的室內便攜式顆粒物檢測儀。首先分析推導光散射法檢測顆粒物濃度的原理，并設計藍牙傳輸模塊的硬件電路，然后通過指令將藍牙傳輸模塊端口和手機終端進行配對，最后在手機終端對收到的數據進行實時解析及顯示。結果表明，該檢測儀的測量數據經格拉布斯準則處理后，與DUSTTARK Ⅱ8530（TSI）測試儀器的數據相比誤差不大于6%，且無需現場布線、智能便攜，易連接組網通信，適用于室內顆粒物監測等方面應用。

關鍵詞： 光散射理論； 藍牙傳輸； Android開發； 顆粒物檢測儀； 格拉布斯準則

中圖分類號： TN98?34； TP216 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）24?0120?04

Design of indoor portable particulate matter detector based on MIE theory

ZHAO Xiaoqiang， PENG Hongmei， ZHANG Pengbo

（School of Communication and Information Engineering， Xian University of Posts and Telecommunications， Xian 710061， China）

Abstract： Since it is difficult for the traditional monitoring equipment to install and maintain， and its response speed is slow， an indoor portable particulate matter detector based on light scattering theory was designed. The principle of using the light scattering method to detect the particulate matter concentration is deduced. The hardware circuit of the Bluetooth transmission module was designed. The port of the Bluetooth transmission module is matched with mobile phone terminal by means of the instructions， and then the received data is analyzed and displayed in real time in the mobile phone terminal. The data measured by the detector is processed by Grubbs criterion， and its error is less than 6% in comparison with the data measured by DUSTTARK II 8530 （TSI）. The detector dispenses with the on?site wiring， is intelligent and portable， easy to connect to the networking communication， and suitable for the indoor particulate matter monitoring and other applications.

Keywords： light scattering theory； Bluetooth transmission； Android development； particulate matter detector； Grubbs criterion

隨著越來越多的建材家電進駐室內，使得室內的空氣顆粒物污染源復雜多樣。若顆粒物粒徑小于2.5 μm就可以穿過人體的肺部和氣管進入血管，隨著血液流到全身各處，直接危害人體健康，所以常規的實驗室監測手段已經滿足不了具有不可預測性的突發事件[1?2]。準確測定室內顆粒物的設備昂貴，如青島溯源TY?13型室內二段可吸入顆粒物采樣器約10 000元，且測定時間較長，需要專業人員進行連續測定。傳統上采用分析化學方法和光譜分析等方法對顆粒物進行監測。分析化學的方法一般需要在測量現場采集樣氣，帶回實驗室進行化學分析得到結果，而光譜分析需要專門的光譜儀，設備昂貴、操作復雜、不便攜帶，而且采樣分析速度慢，無法實現實時的空氣品質測量。目前國內對顆粒物濃度的監測方法有許多種，光散射測量方法以檢測速度快、測量范圍大、自動化程度高、不受溫度壓力變化影響，可在線監測等優點倍受歡迎[3?4]。隨著傳感器制造技術的發展，便攜式監測儀體積越來越小、精度越來越高，且能及時得到現場的第一手數據，方便人們對室內環境狀況的了解，并做出相應措施，其應用越來越受到社會各界重視[5?6]。

1 傳感器及檢測原理

傳感器由激光器、光散射測量腔體和傳感器處理電路三部分組成，采用激光散射原理：當激光照射在空中的懸浮顆粒物上時會產生光散射現象，此時的散射光強度隨顆粒物的濃度變化而變化。如果在某個特定角度收集這些散射光，當散射光通過凸透鏡到達光電傳感器時，傳感器處理電路把接收到的光強度信號轉換成電信號，由此可得到散射光強隨時間變化的曲線。

本次研制的顆粒物檢測儀采用PMSXOXX系列傳感器，粒徑分辨率最小可達0.3 μm，能同時監測3種不同粒徑閾值微小顆粒物的濃度，如PM1.0，PM2.5，PM10。該監測儀通過計算粒子數目來測量顆粒物的濃度，其原理模型是來源于麥克斯韋方程組的嚴格數學解。其理論推導如下：當光強為I0的自然光線入射到各向同性的微粒時，距離散射體R處的P點的散射光強為：

[Isca=λ2I08π2r2S1θ2sin2h+S2θ2cos2h]

式中：λ為光波波長；θ為散射角；h為偏振光的偏振角；振幅函數S1（θ）和S2（θ）分別為：

[S1θ=n=1∞2n+1nn+1anπn+bnfn]

[S2θ=n=1∞2n+1nn+1anfn+bnπn]

式中：an和bn是與貝塞爾函數和漢克爾函數有關的函數；πn和fn是連帶勒讓德函數的函數，僅與散射角θ有關。振幅函數S1（θ）和S2（θ）是MIE散射光強的關鍵，an和bn是計算的難點，求和是一個無窮的過程，理論上無法計算。由于an和bn的表達式滿足一些遞推關系，若計算之前給定[n]的大小，則通過計算機編程可以方便地求出an和bn，自然可以求出距離散射體R處的P點的散射光強Isca。散射光強經過光電轉換器轉化成PWM波形，其對應的脈寬長度就是對應微小顆粒物的濃度。

2 總體設計

便攜式顆粒物檢測儀主要由兩部分組成：硬件部分和軟件部分。硬件部分由攀藤G1型PM傳感器和自行設計的藍牙3.0模塊組成；軟件部分采用Android編寫的上位機軟件，通過解析藍牙傳輸的數據進行數值顯示和曲線繪制。如圖1所示。

3 藍牙模塊設計

3.1 硬件電路設計

藍牙技術是通過支持點對點或者點對多點的模式，以無線方式將室內的各種數據和語音設備互連成一個分布式網絡，并在這些連接設備之間實現快捷而方便的通信[7?8]。藍牙模塊硬件電路的設計如圖2所示。

圖2 藍牙模塊硬件電路

3.2 藍牙設備的設置及連接

藍牙串口通信模塊具有命令響應和自動連接兩種工作模式。當模塊處于命令響應工作模式時，用戶可向模塊發送各種AT指令將波特率設置為38 400 b/s，8位數據位，1位停止位，無校驗位和流控制位。令BS_KEY=1，進入AT指令配置狀態，通電后，藍牙模塊進入AT指令響應狀態。通過串口工具發送字符：

“AT+NAME=陳＼r＼n”表示設置模塊設備名稱為：“陳”；

“AT+LINK= A086，C6， 24800D ＼r＼n”表示查詢藍牙設備“A0：86：C6：24：80：0D”是否在配對列表中，響應“OK”（成功）表示藍牙串口配對連接成功，此時BS_LED=1。

“AT+ROLE=1＼r＼n”表示藍牙模塊主動發起連接，若返回“OK”，則表明藍牙設備間的透明數據傳輸通道已建立。

用單片機最小系統供電，連接藍牙模塊（ATK?HC05）和手機（GT?S7898），等手機搜索到藍牙設備地址（A0：86：C6：24：80：0D）后，點擊該設備完成配對，進入空氣質量監測界面，這樣藍牙模塊便可以向手機端發數據，結果如圖3所示。

3.3 藍牙解析協議

協議是指通信雙方為完成服務而必須遵循的規則或約定，絕大多數的藍牙設備都需要協議。根據實際的應用需要，將手機與藍牙的通信協議如表1所示。

表1中濃度單位為μg/m3；測量空氣體積0.1 L；DataN_H代表數據N的高8位；DataN_L代表數據N的低8位；Data_H表示幀長度高8位；Data_L表示幀長度低8位；DataL_H表示數據和校驗高8位；DataL_L表示數據和校驗低8位。針對以上協議，Android程序通過調用相應的接口數據，解析協議數據，將檢測結果以數值和曲線的方式顯示在手機界面上，如圖4所示。

4 數據測試及分析

通過設計藍牙傳輸模塊硬件電路和配置AT指令，實現傳感器測量數據的透明傳輸，利用米氏理論算法，得出單位體積內顆粒物的數量。最后在Android手機端開發了便攜式顆粒物檢測儀上位機軟件，通過解析藍牙傳輸的數據進行數值顯示和曲線繪制，對檢測數據進行實時顯示與超標警告[8]。

為了保證測量精度，每隔1 h測量1次顆粒物濃度，連續測量24次，采用“多次測量求其平均值”方式輸出當天的顆粒物濃度的平均值，共持續30天，12月份顆粒物濃度如表2所示。

由于每天的24個采樣數據可能存在較大誤差，因此不能僅對這24個值取平均，應采用格拉布斯準則[9]對這24個數據進行篩選。圖5是以12月8日10點—16點的采集數據為例說明篩選過程。

按照上述過程將12月份檢測儀每天監測的數據繪制，以TSI為標準檢驗不同顆粒物濃度下的G1監測數據和相對誤差曲線[9]，結果如圖6所示。經過實際測試，檢測儀測量數據準確，在12月的30天當中，該檢測儀與TSI檢測儀測量數據比較，相對誤差不大于6%，能很好地滿足對室內空氣質量監測的需求。

5 結 語

本文主要從室內便攜式環境檢測設備開發的角度，結合光散射測顆粒物濃度的方法、Android開發技術以及藍牙通信技術，完成了一個高精度低成本的便攜式室內顆粒物檢測儀設計，不僅實現了室內的短距離通信，同時可在手機終端APP上實時查看監測數據。在完成硬件和軟件的設計的同時將檢測儀與TSI測試儀器進行了比對測試，經格拉布斯準則處理后相對誤差不超過6%。

參考文獻

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