基于Arduino的空气细微颗粒物检测器设计

南昌航空大学 陈 媛 韩星晨 高鸿波

基于Arduino的空气细微颗粒物检测器设计

南昌航空大学 陈 媛 韩星晨 高鸿波

基于Arduino对传感器的处理和控制原理，制作了一个以SHARP粉尘传感器为传感器，Arduino Ethernet为控制中心的实时空气细微颗粒物检测器。利用Arduino对SHARP粉尘传感器的控制，将采集到的空气细微颗粒物数据进行处理，把Arduino Ethernet板作为PC板的接口，将实时数据传输到xively网站上，除了能够利用互联网共享数据外，借助xively网站对传感器采集的数据处理的优势，将检测器周围的空气质量更直观的呈现给人们。

Arduino；Ethernet板；SHARP粉尘检测器；xively网站

1.引言

在各大城市，由于“不起眼”的空气细微颗粒物(pm2.5)所造成的雾霾天气越来越严重，进而引发各种严重的呼吸道疾病以及心血管疾病危及人们的身体健康。空气细微颗粒物的检测也引起了人们的重视。然而对于卫生环保局定期公布大范围城市的空气为颗粒物的检测情况已经远远不能满足人们的日常生活。我们需要的是随时，随地了解我们周围环境(如在汽车中，在工厂或者家中的环境)的pm2.5(空气细微颗粒物)，从而做好各种预防以及清洁措施。虽然国内外有各种对粉尘检测器的研究，但从现有的粉尘器看来，它们大都价格昂贵，且不适合家具个人，常用于工厂，再者体积庞大，所以一个能够普及大众经济实惠小型且又能精确检测出我们周边的pm2.5的检测器变得十分的有必要。在这一背景下，我们制作了一个简单，携带方便，经济实惠，且适合家具个人的空气细微颗粒物检测器。

本文主要介绍现有的研究，基于Arduino的空气细微颗粒物的传感器的检测原理即sharp粉尘器，sharp粉尘器与Arduino板的电路简单搭建，该款传感器的核心控制—Arduino，xively网站，实现实时共享数据不可或缺的部分，以及液晶显示模块DS1307。

2.现有研究

从国内外文献研究，现在常用的测细微颗粒物的方法有：重量法；β射线吸收法；微量振荡天法。

(1)重量法：将细微颗粒物直接截留到滤膜上，然后用天平称重，这就是重量法。

(2)β射线吸收法：将细微颗粒物收集到滤纸上，然后照射一束beta射线，射线穿过滤纸和颗粒物时由于被散射而衰减，衰减的程度和细微颗粒物的重量成比。

(3)微量振荡天平法：一头粗一头细的空心玻璃管，粗头固定，细头装有滤芯。空气从粗头进，细头出，细微颗粒物就被截留在滤芯上。在电场的作用下，细头以一定频率振荡，该频率和细头重量的平方根成反比。于是，根据振荡频率的变化，就可以算出收集到的细微颗粒物的重量。

基于上述的研究方法，国内外研究了几款传感器，国内比较好的粉尘传感器以GCG1000粉尘传感器为代表，但该传感器主要用于煤矿不适用家居以及个人使用，以及体型庞大，价格昂贵。国外Dylos公司生产的DC1100 Pro Air Quality空气细微颗粒检测仪是一个真正的激光颗粒检测器，带两种不同的测量范围。小的通道(0.5微米)应该可以看到细菌和霉菌。高一点的通道(2.5微米)可以看到灰尘和花粉。本设备能保存长达30天的空气质量数据。虽然具有各方面的优势，但价格较贵，不适家居。

3.空气细微颗粒物检测器的制做

3.1 硬件电路设计

制作一个小型经济实惠的空气细微颗粒物检测器，选取粉尘传感器是十分重要的。通过对空气细微颗粒物检测的原理学习，考虑到检测的精度，经济成本，我们选取sharp粉尘器(夏普粉尘传感器)。夏普粉尘器的传感器精度0.1mg/cm3，在5v的激励电压下即可使用，同时也适用于常温之下。这块检测电路的主要核心为Arduino Ethenet板，它是以Arduino为核心处理器的一块板子，Arduino能通过各种各样的传感器来感知环境，Arduino Ethenet特别之处：(1)数字口10、11、12、13是预留作为与Ethernet模块通讯，因此可用的数字IO口只有9个，其中4个可以作为PWM输出；(2)还有接USB转串口通信。利用这两个特性作pc的接口，同时它附带的w5100能够实现以太网的功能，即连接电脑，实现可联网，将数据传输到xively上去。xively是一种网(http://www.xively.com)，它帮助你在世界范围连接和共享来自物体、设备、建筑和环境的感应装置实时数据，并且创建标签。综上所述，我们可以利用Arduino作为底层的感知点，而xively则可以作为上层的网络服务。夏普粉尘传感器的原理是：如果空气中的尘埃流入感测器的的中央孔穴时，红外发光二极管的光线会散射，此时利用光检测器检测散射光，就能达到检测尘埃的目的。

其次我们将夏普粉尘传感器与Arduino Ethenet连接，图3.1为连接管脚图以及粉尘器内部检测电路。

最后在显示模块中，我们利用了DS1307的能够实时显示时刻的特性，以Arduino作为核心控制器器，LM1602液晶作为显示器，制作显示电路模块。图3.2为最终成型电路。

图3.1 连接管脚图以及粉尘器内部检测电路(该图摘自夏普粉尘器的说明书)

图3.2 最终成型电路

3.2 实物成型及实验检测结果

现在我们利用空气细微颗粒物检测器首先在无烟环境下的显示情况(如图3.3所示)：

D(density)表示空气中细微颗粒物的浓度(mg/m3)，由于是阴雨天的数据，故浓度值偏高。后面字母表示等级(A为浓度值小于150，B为浓度值在150-300，C为浓度值在300-1050，D为浓度值在1050-3000，E为浓度值大于3000)。

下面一幅图为人为制造的烟雾(向传感器吹的香烟烟雾)，并上传到网站(图3.4)从图中可以看出该空气质量为D并不好。

图3.3

图3.4

4.结束语

这款空气细微颗粒物检测器与其他的粉尘检测器的不同之处在于它能够利用Arduino与PC上的一些软件相连接，在网上实现共享数据。Sharp粉尘器虽然达不到工业粉尘器的精确程度，但其精确程度足以满家庭民用个人需求。因此，这是一款低成本，低能耗，可联网，随时检测身边的空气质量的家居空气细微颗粒物检测器。

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