一種便攜式大氣顆粒物污染檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

凌啟東 孟令杰 王世博 李碩

摘要：大氣顆粒物污染對于人的健康存在著較明顯的危害，甚至可以導(dǎo)致霧霾等惡劣污染天氣的出現(xiàn)。本文設(shè)計(jì)了一種便攜式大氣顆粒污染物檢測系統(tǒng)，由大氣顆粒污染物檢測模塊、藍(lán)牙通信模塊、顯示模塊和微控制器組成，大氣顆粒污染物檢測模塊用于實(shí)時(shí)采集顆粒污染物數(shù)據(jù)，并將采集到的信號實(shí)時(shí)發(fā)送給微控制器，微控制器對所接收到的顆粒污染物信號進(jìn)行處理和分析，可以將處理結(jié)果通過藍(lán)牙通信模塊傳輸給智能穿戴設(shè)備或手機(jī)。該系統(tǒng)便于攜帶，能夠?qū)崟r(shí)提供大氣顆粒污染物的數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：空氣顆粒物;Arduino UNO;傳感器;藍(lán)牙通信

中圖分類號：TP368.12 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）12-0153-02

0 引言

空氣中PM2.5、PM10等大氣顆粒物污染是大氣污染的重要成分，很容易被人體吸入對于健康存在較明顯的危害，甚至?xí)?dǎo)致霧霾等惡劣污染天氣的發(fā)生，隨著國家對環(huán)境的大力整治，人們對于大氣環(huán)境污染的關(guān)注也日益增多，人們希望能夠及時(shí)掌握監(jiān)測到的大氣污染的具體數(shù)據(jù)，以便于合理安排和進(jìn)行相關(guān)活動，污染嚴(yán)重時(shí)，不進(jìn)行劇烈運(yùn)動，并采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，盡可能減輕大氣污染給身體帶來的危害[1]。現(xiàn)有的大氣顆粒污染物的檢測比較單一，導(dǎo)致人們獲取數(shù)據(jù)信息的途徑過于單一化且不便于隨身攜帶，不能實(shí)時(shí)獲知大氣環(huán)境質(zhì)量的檢測數(shù)據(jù)。為了解決上述問題，提出了一種基于Arduino控制器的便攜式空氣顆粒物檢測系統(tǒng)，可以通過藍(lán)牙通信實(shí)時(shí)將檢測數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)或者智能穿戴設(shè)備，方便了用戶對所處環(huán)境空氣顆粒物的掌握。

1 系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu)

便攜式大氣顆粒污染物檢測系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括大氣顆粒污染物檢測模塊，藍(lán)牙通信模塊、顯示模塊和微控制器，大氣顆粒污染物檢測模塊實(shí)時(shí)采集顆粒污染物數(shù)據(jù)，并將采集到的顆粒污染物數(shù)據(jù)信號實(shí)時(shí)傳輸給微控制器;顯示模塊用于實(shí)時(shí)顯示微處理器處理過的顆粒污染數(shù)據(jù);藍(lán)牙通信模塊A用于建立微控制器與智能穿戴設(shè)備之間的信號傳輸;微控制器用于對所接收到的顆粒污染物數(shù)據(jù)信號進(jìn)行分析和處理，并將處理結(jié)果分別發(fā)送給顯示模塊和智能穿戴設(shè)備進(jìn)行顯示，同時(shí)，將處理結(jié)果與設(shè)定值進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，當(dāng)超過設(shè)定值時(shí)向智能穿戴設(shè)備發(fā)送示警信號。這里的微控制器選用帶有AD轉(zhuǎn)換功能的Arduino UNO R3單片機(jī)控制模塊，可以很方便地實(shí)現(xiàn)AD的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理。為了便于對于數(shù)據(jù)保存，以記錄用戶的活動環(huán)境，更好地為用戶的健康保障提供數(shù)據(jù)支撐，檢測系統(tǒng)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給手機(jī)終端和后臺服務(wù)器。該系統(tǒng)可以很方便地檢測空氣中的顆粒物濃度，可以擴(kuò)展與穿戴設(shè)備、手機(jī)等移動設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的共享。

2 系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計(jì)

2.1 顆粒物采集模塊設(shè)計(jì)

大氣顆粒物采集模塊選用GP2Y1014AU傳感器，采集模塊電路如圖2所示，GP2Y1014AU傳感器模塊的輸入INPUT引腳和Arduino UNO微控制器的ADC6引腳相連，控制傳感器內(nèi)部的LED燈閃爍，指示工作狀態(tài)。傳感器模塊的的輸出OUT引腳與和Arduino UNO微控制器PD3引腳相連接，將傳感器檢測的顆粒物濃度模擬電壓通過AD轉(zhuǎn)換處理得到數(shù)字信號，方便單片機(jī)后期的數(shù)據(jù)安全值的判斷[2]。

2.2 藍(lán)牙通信模塊設(shè)計(jì)

藍(lán)牙通信模塊選用DX-BT05藍(lán)牙集成模塊，藍(lán)牙通信電路如圖3所示，模塊的串口數(shù)據(jù)的輸入和輸出引腳TXD和RXD分別與微控制器的RXD引腳和TXD引腳相連接，將采集數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙通信發(fā)送給智能穿戴設(shè)備或者手機(jī);藍(lán)牙通信模塊電路的清除發(fā)送和請求發(fā)送接口CTS和RTS分別與微控制器的PC3引腳和PC2引腳相連接，完成數(shù)據(jù)的請求發(fā)送和清除發(fā)送;藍(lán)牙通信模塊電路的數(shù)據(jù)口和時(shí)鐘口SDA和SCL分別與微控制器的PC4和PC2引腳相連接， 藍(lán)牙通訊電路的P1-1口與微控制器的PB5引腳相連接，當(dāng)其空閑時(shí)為低電平輸出[3]。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的藍(lán)牙通信，耗能低，將數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸?shù)绞謾C(jī)終端。

2.3 顯示模塊的設(shè)計(jì)

LCD顯示模塊采用LCD12864顯示模塊，電路接口圖如圖4所示，LCD12864顯示模塊的1引腳和2引腳分別接電源地和5V，15引腳接地選擇串行通信，19引腳和20引腳分別接5V和接地，控制模塊的背光正負(fù)極，RS、RW和E引腳分別接到Arduino UNO控制模塊的D7、D8、D9引腳，負(fù)責(zé)微控制器和LCD顯示模塊之間的串行數(shù)據(jù)通信[4]。

3 結(jié)語

空氣中的PM2.5、PM10等顆粒物污染是大氣污染中重要的污染物，本文設(shè)計(jì)了一種基于Arduino UNO的大氣顆粒污染物檢測系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)檢測大氣顆粒污染物濃度，通過藍(lán)牙通信模塊將檢測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給智能穿戴設(shè)備或者手機(jī)，成本低，擴(kuò)展性強(qiáng)，對大氣污染的實(shí)時(shí)性檢測有著較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 葉秋霞.顆粒物PM10和PM2.5對體育鍛煉和身體健康的影響[J].河南農(nóng)業(yè)，2014（08）：57-58.

[2] 蔣鑫蕊，馬翔，朱萍，等.車載空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2019，37（04）：178+180.

[3] 鄒優(yōu)敏，費(fèi)寅超，羅恒，等.基于iOS平臺的地下停車場導(dǎo)航系統(tǒng)研究[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2019，27（02）：202-206.

[4] 高宏巖，王聞陽.基于單片機(jī)的公交自動報(bào)站實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2018，21（01）：107-110.

Design of? a Portable Detection System for Air Particulate Pollutants

LING Qi-dong，MENG Ling-jie，WANG Shi-bo，LI Shuo

（School of? Information and Engineering， Xuzhou College of? Industrial Technology， Xuzhou? Jiangsu? 221440）

Abstract：Air particle pollution has obvious harm to people's health， and even can lead to severe pollution weather such as haze. In this paper， a portable detection system of air particle pollutants is designed， which is composed of air particle pollutants detection module， Bluetooth communication module， display module and micro controller. The detection module of air particle pollutants is used to collect the data of particle pollutants in real time， and send the collected signal to the micro controller in real time. The micro controller carries out the detection of the received signal of particle pollutants Processing and analysis， the processing results can be transmitted to the intelligent wearable device or mobile phone through the Bluetooth communication module. The system is portable and can provide real-time data of air particulate pollutants.

Key words：air particle;Arduino UNO;sensor;bluetooth communication