基于3D打印与单片机实现PM2.5监测装置的研究

吴亮 王泽国 邵鸿铭

摘 要：PM2.5浓度作为衡量大气污染的指标之一，值得我们时刻关注。文章设计了一种PM2.5浓度检测装置，利用激光散射来采集数据，通过WiFi模块传送到服务器，将采集结果呈现给用户，来指引市民的出行规划。

关键词：STM32；PM2.5；3D打印；光散射法

1 系统整体设计

本文介绍了一种PM2.5实时监测装置，配合3D打印技术，达到了使用户方便地实时监测远程局部空气的污染情况，并且实现装置外观的可定制化。以通达学院作为测试场地，使用灰尘传感器采集数据，通过ESP8266芯片发送数据到服务器，实现液晶屏上和远程网页端的实时显示。整体框架如图1所示[1]。

感知层，将组装好的样机布置在人员较为密集的区域，例如食堂、操场、宿舍、教室、实验室等区域。通过对这些区域的数据采集，对学校的空气质量情况做出整体评估。

网络层，将收集到的数据处理后存储在数据库中，传输协议采取TCP/IP协议[2]。

应用层，在数据被处理并存入数据库之后，将由网页端和远程显示端进行请求，最终显示出来。本设计采用MySQL数据库，在存储数据时考虑到数据数目的庞大，通过优化SQL语句以及表结构极大的加快了查询速度。考虑到实际情况，对网页进行了兼容性的优化，在IE8以后的版本上正常显示，同时在用户访问时，通过AJAX技术实现数据的异步刷新，增强用户体验。通过架设Web服务器，可以将空气质量情况实时的显示在页面上。

2 硬件系统设计

以实现采集数据并实时显示在液晶显示屏和远程端口上为目的，系统硬件主要以3个部分构成。系统以STM32F103为核心，利用其性价比高，拓展性强的优势，搭建一个嵌入式的平台。

2.1 数据采集单元

采集区域内的PM2.5浓度，并输出数字信号。本系统使用SDS011灰尘传感器，通过激光散射原理实现数据测量[3]。传感器通过发送数据帧（10字节），数据帧包括报文头+指令号+数据（6字节）+校验和+报文尾，PM2.5数据最终由数据部分的第一字节和第二字节组成（PM2.5（μg/m3）=（（第一字节×256）+第二字节/10）。传感器还配有风扇，保证空气流动，增强采样精度。

2.2 数据传输与显示单元

本单元实现了将采集的数据经由WiFi模块发送至服务器端并将MCU收集到的数据展示在液晶屏上的功能。采用ESP8266串口WiFi模块连接无线网络[4]，通过STM32的可变静态存储控制器（Flexible Static Memory Controller，FSMC）外设，提高了通信效率，能够实时地将数据显示出来。

2.3 3D模型设计

我们选用SolidWorks软件设计模型[5]。在模型设计方面，可以设计不同的模型来适应场地的需要，在第四大项系统实现中，我们给出一个设计好的模型。

3 软件系统设计

本单元实现了数据采集与处理，并将结果展现用户，该系统使用超文本预处理器（Hypertext Preprocessor，PHP）语言开发，AJAX异步刷新使得数据实时显示在网页端。搭建服务器，选用MySQl数据库存储数据，多个监测装置通过TCP协议，将信息存储到数据库[6] 。功能执行流程如图2所示[7]。

4 系统实现

根据以上设计思路，开发了基于3D打印的PM2.5实时监测系统，并进行了实地测试，本系统的实际使用情况良好，能够方便准确地反映校园的空气质量情况。

图3为液晶显示屏截图，能够做到实时显示，图4为网页端截图，异步刷新数据，图5为我们打印出的模型。最终，将组装好的单片机置入模型中，于腹部开口放置显示屏，于背部隐蔽处开口作为通风口。

本次测试截取了2018年11月25号学生宿舍的PM2.5的历史数据。

5 结语

本系统运用了传感器、网络技术以及微型计算机技术，形成了一个灵活的、智能化的PM2.5监测系统，具备多点实时监测、监测数据的存储与统计、移动终端的便捷性以及3D打印的灵活性等特点，实现了对校园空气质量的实时监测，通过3D打印技术，大大降低系统的成本，克服了传统终端设计造价高、复杂等缺点，并提供了可定制化的可能。本系统通过分享特定区域空气质量情况，利用网络的便捷性，使人们更及时地获取信息，合理地安排出行计划。

[參考文献]

[1]史姣姣，张泽胜.基于物联网技术的PM2.5监测系统[J].通信技术，2018（5）：1142-1147.

[2]李光明，孙英爽，党小娟.基于安卓的远程监控系统的设计与实现[J].计算机工程与设计，2016（2）：556-560.

[3]郭浩.激光散射法与β射线散射法测量环境空气中颗粒物质量浓度的差异[J].环境与可持续发展，2015（3）：195-197.

[4]王亚超.基于无线传感器网络的城轨列车运行能耗数据采集系统设计[D].北京：北京交通大学，2015.

[5]余冬梅，方奥，张建赋.3D打印材料[J].金属世界，2015（5）：6-13.

[6]LUKE W，LAURA T.PHP和MySQL Web开发[M].北京：机械工业出版社，2009.

[7]侯琛，赵千川，冯浩然，等.一种物联网智能数据采集系统的研究与实现[J].电子测量技术，2014（5）：96-102.