基于物聯網的霧霾監測儀設計與實現

譚舒丹 王夢嬌 劉玉林 楊靖

摘要：近年來，城市空氣污染加劇，為了能夠及時的監測空氣質量指數，設計了一種基于物聯網的霧霾監測系統。日常霧霾天氣大多數都是由空氣中的細顆粒物PM2.5導致的，故該系統設計是將粉塵（PM2.5）傳感器采集到的信息傳送到單片機STC89C51，若處理后的數據高于設置的PM2.5報警值則觸發聲光報警。經測試，該系統價格便宜、體積小巧便于攜帶，能夠滿足絕大多數家庭的環境監測使用。

關鍵詞：物聯網;PM2.5;粉塵傳感器;單片機

引言

近年來，隨著科技的不斷發展，人們的生活水平得到了很大的提高，工業產品也越來越多的出現在人們的生活中，在使用這些工業產品的過程中也同時制造了很多的空氣污染。比如工廠排放的工業廢氣，汽車排放的尾氣，還有燃燒產生的煙霧等等。目前，市場上空氣質量量化檢測通常都是采用 PM2.5 指標來衡量，通過一系列監測器來實現數據的實時檢測、顯示和記錄。但一些專業的監測設備，體積普遍偏大且價格昂貴，不同廠家的檢測設備測試數據偏差也較大，并不適合廣大市民購買和使用。

隨著物聯網技術的飛速發展，已經在很多領域進行了應用，如各類打卡系統，門禁管理，智能交通，物流系統等。本設計基于物聯網技術，在顯示屏上顯示當前的PM2.5監測濃度值，并采用藍牙模塊連接上位機，在上位機上實時的顯示監測的濃度值。通過這些直觀的監測數據，讓人們更清楚的了解到，現代工業發展對空氣的污染程度，從而意識到保護大氣保護環境的重要性。

1.系統硬件組成

該監測儀系統硬件結構示意圖見圖1，本套系統旨在采集室內或其他非高精度要求的環境濃度信息，系統的信息都來源于傳感器采集的數據，整個系統由STC89C51為主控制器，配以電源模塊、傳感器模塊、聲光報警模塊、顯示模塊、A/D轉換模塊和藍牙傳輸模塊這等幾大模塊組成。從而實現對空氣中PM2.5濃度的監測、顯示和報警。

1.1 主控制模塊：控制器采用的是單片機STC89C51，工作電壓

3.8V-5.5V，是一種低功耗，高性能CMOS8位微處理器，與傳統8051單片機指令和引腳完全兼容。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統可編程Flash，使得STC89C51在眾多嵌入式控制系統中得到廣泛應用。

1.2 傳感器模塊：此系統中使用的是粉塵（PM2.5）傳感器，型號為 GP2Y1010AU0F，是一款光學空氣質量傳感器，用來感受空氣中的塵埃粒子，其內部有一個紅外發光二極管和光電晶體管，對角布置成允許其檢測在空氣中的灰塵反射光。故在檢測非常細的顆粒，如香煙煙霧，都是很有效的，并且廣泛應用于空氣清新劑、換氣空調等產品中。具有非常低的電流消耗（最大20mA，典型值11mA），靈敏度為0.5V/（0.1mg/m3），工作溫度為-10～65。該傳感器的輸出為模擬電壓，其值與粉塵濃度成正比。

1.3 顯示模塊：采用的是LCD1602液晶顯示屏，是一種專門用來顯示字母、數字、符號等的點陣型液晶模塊。顯示的內容為16X2，即可以顯示兩行，每行16個字符。工作電壓為3.3V-5V，對比度可調。具有微功耗、體積小、顯示內容豐富、超薄輕巧的優點，通常應用在袖珍式儀表和低功耗系統中。

1.4 A/D轉換模塊：此模塊選用型號為ADC0832，是一種8位分辨率、雙通道A/D轉換芯片，可以適應一般模擬量轉換要求，轉換速度較高僅為32us。由于它體積小、兼容性強、性價比高而深受單片機愛好者及企業歡迎，目前已經有很高的普及率，適用于各種便攜式智能儀表。

1.5 藍牙傳輸模塊：此系統中選用的藍牙模塊是HC-05，供電電壓：3.3V-6V，參考距離為10m，可基本滿足普通家庭使用。可連接到微控制器的串行端口，允許微控制器通過此模塊與其他設備通信。啟動模塊后，任何藍牙設備都可以發現它，此裝置中我們采用的是智能手機與它連接。

1.6 電源模塊：考慮到便于攜帶和供電方便，電源部分我們選用USB數據線進行供電。外出攜帶時可用充電寶充當移動電源，以滿足各種使用情況下的供電需求。

2.系統軟件設計

系統程序流程圖如圖2所示，單片機STC89C51作為整個系統的核心控制部分，主要是采集和處理數據信息，這之間還需要A/D轉換模塊將模擬信號轉換為數字信號傳送給單片機，單片機處理得到最終的檢測數據后，會將其顯示在LCD液晶屏上，若最終傳送過來的數據超出了設定的警報值，蜂鳴器和發光二極管就會發出聲光報警。警報值可以通過電路中設計的三個按鍵進行修改，按下第一個按鍵就可啟動設置模式，按下第二個和第三個按鍵就可進行警報值的加減，設置好數據后，再按一次第一個按鍵就可退出設置模式（實物圖如圖3所示）。

結語

該監測儀成本低廉、便于攜帶，適合大部分人在日常生活中使用。該裝置采用了技術成熟的STC89C51單片機作為控制模塊，而顯示屏、藍牙模塊和聲光報警模塊都能直觀的反映周圍的空氣情況，從而使人們重視空氣污染，這對環境保護起到了一定的作用。

參考文獻

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基金項目：

大學生SRT項目，貴大SRT字（2017）028號，自動化專業卓越工程師計劃（ZYS2015004）;貴州省工業攻關項目（黔科合支撐[2019]2152）;物聯網技術案例庫（KCALK201708）。