移动空气质量监测系统实验设计

蒋欣秀， 赵一帆， 郭 嘉， 朱元静， 丁洪伟

(1.云南大学 信息学院， 云南 昆明 650000；2.云南民族大学 电气信息工程学院， 云南 昆明 650000；3. 云南省广播电视局科技处， 云南 昆明 650000)

0 引言

空气质量问题[1]一直是一个热点问题。这些年来，空气问题造成的各种现象层出不穷，随着社会的不断发展对空气的污染也愈演愈烈，这些因素很大程度上危及着人类的生命。在城市中尾气的排放等污染源使得污染气体在空气中传播，导致生态环境的形势岌岌可危。在一些空气不流通的场所，由于人员的密度比较大造成了污染气体的积累，使空气质量不断下滑，根据这些情况采取相应措施以减少因空气质量问题对人体造成的伤害[2]，同时帮助管理人员根据室内空气质量变化分析以制定场内管理措施，预防公共安全事故发生[3]。在空气质量备受关注的今天，各个地区规划安装环境质量监测站，但这些监测站只能测量平均空气质量，由于气体的在空气中扩散的速度不同，这样会导致固定的监测站所测量的空气指数与不同地点实际的数据不相符，而移动的监测系统设备可以实现流动式的监测、突发事件处理后的空气质量应急监测以及重点污染地方的监测[4]。

如今，人们对手机的依赖程度越来越高，而手机作为一种应用程序APP(Application)的媒介，在APP盛行的时代，将APP与空气质量监测系统进行结合可以随时采集空气质量的数据[5]，对空气质量的变化进行实时的监测更方便快捷的让我们了解指定地点的空气指数，可以提醒我们采取相应的措施，对整个环境的保护起到了重要的推动作用。

1 系统总体设计

传统的空气质量监控系统大多是固定的装置存在诸多的不足，但人们希望方便快捷地获取空气质量的监测数据。本文介绍的移动空气质量监控系统由监控模块和智能手机APP模块构成，以单片机为核心，共同使用一对蓝牙模块和一个APP模块，在控制模块中，指令通过蓝牙传送与单片机进行通信，将指令发送给单片机，单片机接收指令后对L298N驱动模块进行控制从而实现对马达转速的控制，电机的不同转向和不同转速可以控制小车前进、后退、左转、右转、加速和减速。当粉尘传感器采集到空气质量产生的模拟数据时，数据进入ADC0832芯片，在芯片内部进行数模转换，最后产生的数字信号可以被传输到手机之中，最后通过手机端的APP显示出来。总体框图如图1所示。

图1 总体设计框图

2 系统硬件设计

本系统的硬件部分主要是负责接收到APP的控制指令将小车遥控到指定地点，并处理传感器采集到的空气质量的数据，其流程图如图2所示。

根据APP发送给单片机的指令是否为中断指令，以“stop”来命名中断指令，当接收中断指令时候就进入采集PM2.5的程序，对数据处理并传回手机APP，如果收到指令“forward”就执行前进程序，收到指令“back”就执行后退程序，收到指令“right”就执行右转程序，收到指令“left”就执行左转程序。

图2 小车工作流程图

2.1 核心控制模块设计

STC89C52RC芯片作为核心控制芯片[6]，外部选用的晶振为12MHz的石英晶振，此芯片的性能优于初代单片机，指令代码完全兼容，十六位定时器和四个外部中断，所能够支持的最高工作频率达到35MHz，速度非常快。

2.2 PM2.5检测模块设计

1)粉尘传感器的工作原理

GP2Y1014AU粉尘传感器[7]是一款光学灰尘监测的传感器模块，在其中间有一个气孔。空气可以自由流过，它里面对角位置放着红外发光二极管和光电晶体管，红外发光二极管定向发送红外，当空气中有微粒阻碍红外时，红外线发生漫反射，光电晶体管接收到红外，所以信号输出引脚电压发送变化，其灰尘浓度每变化0.1mg/m3，输出电压变化0.5V。

2)粉尘的检出判定

由于烟是连续表现出较高的输出电压，灰尘是间隔的表现出较高的输出电压[8]，关于烟尘的检出判定可表示为：

可检测出的范围(输出电压可变范围(V)) = 输出电压范围Voh (V) -无尘时输出电压Voc(V)

检出粉尘浓度范围(mg/m3) = 检出可能范围(输出电压可变范围(V)) ÷检出感度K(V/(0.1mg/m3)

烟尘检出的情况下，其判定值如下：

判定值=检出浓度(mg/m3) + 10×K(V/(0.1mg/m3) + 无尘时输出电压(V)

2.3 智能车驱动模块

驱动电路选择L298N芯片[9]，该芯片的主要控制方法是改变控制端高低电平出现的时间，进而控制PWM脉冲宽度调制。通过输入电平大小不同和电平保持时间不同来产生不同的电压，电平保持时间长，PWM的脉宽就越宽则电压越大，反之电平保持时间越短，PWM的脉宽就越窄则电压越小，通过这样的方式能够控制电压的大小变化，控制电压越大，则电机转速越快，控制电压越小转速越慢，因此可以对小车进行加速和减速操作。其电路图如图3所示。

图3 小车驱动模块电路图

2.4 蓝牙模块设计

该系统选用的蓝牙模块是BT08B蓝牙模块，该模块为主从模块，在收发效率上十分灵活，遥控车的遥控距离适合，并且体积不大，能够有效地装在小车上，短距离传输很快，在单片机与蓝牙的双向通信中，PM2.5的数据通过单片机的TXD发送出去，在手机端的RXD上就会读到单片机发来的数据。

3 系统软件设计

系统软件设计主要包括APP端数据的收发以及蓝牙模块数据传输的实现。具体的流程如图4所示。

该系统需要通过蓝牙来传输数据，在传输数据之前需要判断蓝牙是否开启，如果检测到蓝牙已经开启进入附近的蓝牙地址进行搜索，当选择蓝牙模块连接并连接蓝牙，连接成功之后开启线程，线程分为发送线程和接收线程，当开启的是发送线程，如果检测到有监听键按下时就可以传输数据，此时传输的数据是用于控制小车，没有监听键按下时就等待按键；当开启的是接收线程，检测是否有数据从单片机传入，当有检测到数据传入时就在屏幕上显示数据。

图4 软件流程图

3.1 APP Inventor介绍

该系统的APP模块是基于APP Inventor开发平台实现的，这个开发平台是基于网页编程的可在线开发软件，其中的程序是通过可以显示具有交互性的指令模块来实现的，可以使用不同的模块定义不同的功能[10]。当手机与开发的软件同属一个网络时，开发的APP可以实时显示在手机并进行实时的调试。这个开发平台在开发过程中有三个可操作性界面，分别为项目界面、设计界面、程序模块界面。项目界面可以用于完成一些项目的建立或者将一些项目删除，也可以是实现将项目导入导出；设计界面由面板栏、视图栏、组建栏、媒体栏组成，可实现图片声音等素材的上传以及界面的设计工作；程序模块界面用于程序的编辑和模块的拼接。

3.2 手机界面设计

首先新建一个car_control_button项目，准备了一个按钮的图片可以更名为qj.png、ht.png、yz.png、zz.png，通过Media面板上传。手机遥控小车[11]的界面设计上方为PM2.5显示按钮，下方为VerticalArrangement组件来放置除ListOicker以外的所有组件，用HorizontalArrangement来放置转向、前进、后退加速减速按钮，在放置这些按钮时采用了相对布局形式，将Screen属性Title设置为“蓝牙小车控制”。当手机与蓝牙之前，隐藏该操作界面，此时应将操作界面设置的排版设置为“hidden”，当手机与蓝牙连接之后显示用户界面。

3.3 蓝牙模块设计

该部分由两个模块来完成，Screen1模块用来完成屏幕的跳转，Screen2模块用来定义全局变量和控制蓝牙连接断开，在读取蓝牙装置之前将ListPickerConnect列表中的元件设定为设备蓝牙装置清单，连接成功时，将不同的按钮设置成可按，当点击“确认”按钮，手机端可以与蓝牙进行连接，当蓝牙和手机连接成功后手机的屏幕将会显示“连接成功”，并激活时钟。

4 测试结果

本设计监测装置是由小车和粉尘传感器组成，其实物图和实验室测试场景如图5所示。

图5 装置实物图和实验室测试场景

选择的信息学院实验室、云南大学操场、学生宿舍走廊三个场景作为测试点进行测试，记录了一天中三个时段的空气质量监测数据，并把测量的结果与市面上的海克智动B6A空气质量检测仪所测数据进行比较,这种空气质量监测仪是利用微电脑激光和交流静电感应原理来检测空气中PM2.5浓度的检测仪器，内置滤膜在线采样器在连续监测粉尘浓度的同时，可收集到颗粒物，以便对其成份进行分析，并求出质量浓度转换系数K值，可直读粉尘质量浓度，量程可在0～999ug/m3，精度为±15%，将本设计与该产品作比较其结果如表1所示。

由于本设计的采样点装置是通过限流孔内的颗粒浓度判断采样值，在采样过程中难免有灰尘在限流孔里面积累导致所测量的空气质量数据比市面上的数据整体偏高，但误差均在10%以内，可表明此设计切合实际。从以上的数据显示来看，室内的PM2.5值相对稳定，在室外和半开放式的走廊中，一天中的PM2.5的值都呈现了早高晚低的情况，尤其早上的污染较为严重，极有可能因为城市早上的交通污染原因导致PM2.5值上升，也可能由于随着太阳的上升，地面温度开始上升，热空气开始上升，地面的污染物扩散的情况，导致所测值较高。

为了验证该设计的测量精度，把外界造成的影响因素降低到最低，再次对该设计的空气质量监测部分的限流孔进行处理，我们对比了限流孔内的清洁后的空气质量监测的数据，结果如表2所示。

表1 测试结果

表2 清洁前后测试结果

由于本设计的采样点装置是通过限流孔内的颗粒浓度判断采样值，在采样过程中难免有由上表可得出空气质量监测系统在清洁后的误差有明显的下降，清洁后的测量结果接近市面上空气质量检测仪的测量结果，误差在1%以内，而通过此次测试，可以看出灰尘的积累对传感器的采集存在较大影响。因此在测量之前，我们可以将空气质量监控系统的传感器进行清洁之后再测量数据，所得结果更接近真实情况。

5 结语

该系统以单片机作为核心控制模块，基于STC89C52RC芯片，构建了PM2.5空气质量传感器、L298N驱动、蓝牙数据传送、APP模块作为关键功能模块。在核心控制和关键功能等模块作用下，该系统能够通过APP将小车遥控到指定的地点，测量该点的空气质量指数，并将空气质量指数返回到APP上。经测试，该设计监测的PM2.5数值与市面上的监测仪数据误差不大，设计基本满足要求。