基于云平台的PM2.5污染物监测系统设计

董威+董凡+王明华+高超+姚智韧

DOI：10.16644/j.cnki.cn33-1094/tp.2016.02.003

摘  要： 针对当前环境污染严重，构建了一个以yeelink物联网为云服务平台，Arduino为核心控制板，DSM501A为传感器的实时监测系统。利用Arduino对DSM501A粉尘传感器的控制，将采集的数据进行处理，通过串口上传至yeelink云平台，便于实时、异地监控和长时间的数据分析，实现了实时空气质量综合评估，是一种低成本、多功能、实时化和远程化的污染物监测方案。

关键词： 云平台; Arduino控制板; 粉尘传感器; 实时远程监测

中图分类号：TP702          文献标志码：A     文章编号：1006-8228（2016）02-08-03

Design of PM2.5 pollutant monitoring system based on cloud platform

Dong Wei， Dong Fan， Wang Minghua， Gao Chao， Yao Zhiren

（School of Mathematics &Computer Science， Hubei University of Arts and Sciences， Xiangyang， Hubei 441053， China）

Abstract： In view of the current serious environmental pollution， a real-time monitoring system is constructed， which uses yeelink as cloud service platform， Arduino as the core control board， and DSM501A as the sensor. Arduino is used to control DSM501A dust sensor， process the data collected and upload it to yeelink cloud platform through the serial port， so as to complete the real-time monitoring and long-time data analysis， realize the real-time air quality comprehensive evaluation.This is a kind of low cost， multifunction， real-time and remote pollutant monitoring scheme.

Key words： cloud platform; Arduino control board; dust sensor; real-time and remote monitoring

0 引言

科技进步，生活节奏加快，社会工业化的步伐越来越急，我们生活的环境也遭到严重破坏。最直观的感受是蓝天不是那么蓝了。有研究表明，大气中PM 2.5[1]每升高10μg/m3，人群呼吸系统疾病的死亡率从2.1%增加到3.75%[2]。本文主要介绍利用现有云平台搭建一个pm2.5污染物实时监测系统的设计思路。

1 系统设计

系统原理图如图1所示。用于采集环境颗粒物的DSM501A灰尘传感器将采集到的信息发送给Arduino（mega328p）输入端，DSM501A输出的是PWM脉宽调制信号。Arduino可以完成对采集到数据的处理，可以通过串口在PC上收集，但是无法上传至网络，所以使用yeelink提供的串口工具进行数据上传，在yeelink平台上进行相应的配置后就可以在yeelink网站上远程，异地，实时地查看传感器数据，对空气中pm2.5进行监测。

[灰尘传感器DSM501A][Arduino（mega328p）][PC][Yeelink串口工具][Yeelink平台]

图1  系统原理图

1.1 硬件设计

1.1.1 Arduino控制板

控制板采用Arduino平台，它是一个开放源代码的硬件项目平台，核心器件是一块AVR ATmege328微控制器。该平台包括一块具备简单I/O功能的电路板及一套程序开发环境软件。Arduino具有类似 JAVA、C语言的开发环境。可以快速使用Arduino语言与Flash或Processing等软件完成互动作品。Arduino它在各种基于传感器的系统原型设计方面得到了广泛应用，其硬件设计采用CC BY-SA3.0协议，软件采用类似C++的高级语言[3-4]。

1.1.2 灰尘传感器DSM501A

DSM501A特点是PWM脉宽调制输出，内置加热器可实现自动吸入空气，采用粒子计数原理，可灵敏检测直径为1μm以上的粒子。其结构如图2所示。

<E：＼方正创艺5.1＼Fit201602＼图＼dw图2.tif>

图2  DSM501A结构原理及引脚图

输出脚Vout2为普通输出脚位，灵敏度已预设，最小粒子检测能力为1μm;输出脚Vout1为可调输出脚位，灵敏度可以通过控制脚来调整，默认为Vout2的2.5倍，即最小粒子检测能力为2.5μm;通过在控制脚和GND之间加一个电阻可调整Vout1的最小粒子检出水平。当所接电阻为100KΩ时，Vout1输出为半敏感（2μm以上）;当接入27 KΩ电阻时，Vout1输出与Vout2同等敏感（1μm以上）。该传感器输出为PWM调制方波，以低脉冲率来表示粒子数量水平[5]。输出原理如图3所示。

图3  输出原理

1.2 软件设计

1.2.1 Ardunio数据采集

Ardunio程序中有着固定的规范。每个Ardunio程序只有一个setup（）和一个loop（）函数，setup（）函数里面定义相关初始化数据。当setup（）函数执行完成就执行loop（）函数内的代码，这个函数内的代码会一直循环下去。

DSM501A传感器有两个数据输出引脚，将2号脚接Ardunio的任意数字输入引脚，将5号引脚接到Ardunio的GND引脚，将3号引脚接Ardunio的5v引脚。

通过Ardunio集成开发环境可以编写数据采集程序，烧录到Ardunio板中，部分程序代码如下：

void loop（）

{

duration=pulseIn（pin， LOW）;

lowpulseoccupancy=lowpulseoccupancy+duration;

if （（millis（）-starttime）>sampletime_ms）

{

ratio=lowpulseoccupancy/（sampletime_ms*10.0）;

//Integer percentage 0=>100

concentration=1.1*pow（ratio，3）-3.8*pow（ratio，2）

+520*ratio+0.62; //using spec sheet curve

Serial.print（ratio）;

Serial.print（"，"）;

Serial.println（concentration）;

lowpulseoccupancy=0;

starttime=millis（）;

}

}

这个程序的意义是，先采集30秒内低频脉冲所占比例，再通过拟合函数来计算出空气中粒子数目的浓度，最后以串口输出。

1.2.2 yeelink配置

为了让自己的Ardunio设备和yeelink平台进行数据传输，必须在yeelink上进行相关配置。首先必须注册一个Yeelink账号，得到一个APIkey。通过串口转发工具将数据发送至yeelink平台。在yeelink上对应的部分api文档[6]如表1、表2和表3所示。

1.3 系统运行及测试

该系统在yeelink平台上运行了1个星期，传感器置于室内。

收集到的数据如图4所示。

2 结束语

本设计将Ardunio和传感器相连，并将采集到的实时数据上传至yeelink云平台。通过yeelink平台实现了对pm2.5颗粒物的远距离、实时监测。在该系统基础上还可以加入其他传感器来拓展新的功能，其具有很强的可拓展性。yeelink的开放平台也可以接入其他社交网络，提高了交互性。整个设计成本不高，实用性较强，可以满足一些家庭自主监测居家环境状态。其中传感器获取数据的精度值还需进一步改进。

参考文献（References）：

[1] 杨新兴.大气颗粒物PM2.5及其危害[J].前沿科学，2012.6

（21）：22-30

[2] 杨轶戬.颗粒物（PM2.5）对呼吸系统的毒性作用[J].毒理学，

2005.19（2）：146-148

[3] 蔡睿妍.Arduino的原理及应用[J].电子设计工程，2012.20

（16）：155-157

[4] 袁本华，董铮.基于Arduino控制板的温室大棚测温系统设计[J].

安徽农业科学，2012.6：35-37

[5] Baidu.灰尘粉尘传感器DSM501A.[EB/OL].http：//

wenku.baidu.com/view/e604a4cf8bd63186bcebbcc9.html？from=search

[6] Yeelink. API Documents.[EB/OL].http：//www.yeelink.net/

developer/api