便攜式空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)設(shè)計

引 言

近幾年，環(huán)境問題成為了社會的焦點話題。對大眾而言， 空氣質(zhì)量[1] 更是每天關(guān)注的重點。大氣污染所產(chǎn)生的PM2.5/ PM10顆粒物及廠房建設(shè)裝修所產(chǎn)生的甲醛等有毒氣體都會對人類的身體健康造成危害。因此對空氣質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測是治理空氣污染、改善空氣環(huán)境的有力手段。當(dāng)前各地區(qū)天氣預(yù)報以及App 軟件都會對城市地區(qū)的空氣質(zhì)量進(jìn)行播報，做到讓用戶心中有數(shù)。但考慮到身處環(huán)境的不同及各場所條件的多樣性， 一款便攜式空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)無疑更方便有需求的用戶使用。

本設(shè)計提出的空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)，采用RaspberryPi[2] 作為嵌入式平臺上位機(jī)，配合高精度傳感器對空氣參數(shù)進(jìn)行測量，并將結(jié)果實時顯示在LCD顯示屏上供用戶查看。平臺內(nèi)置 GPS模塊，配合數(shù)據(jù)庫，可將采集的數(shù)據(jù)配合時間、地點等信息一同存檔，以備后續(xù)進(jìn)一步分析使用。該系統(tǒng)小巧便攜， 功耗較低，智能化程度高，便于后期系統(tǒng)維護(hù)以及功能擴(kuò)展。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 硬件組成

本設(shè)計的上位機(jī) Raspberry Pi 是一款小型的基于嵌入式平臺的智能電腦，整體大小類似充電寶，但憑借強(qiáng)大的處理能力可以執(zhí)行其他 PC 主機(jī)的基本功能。Raspberry Pi 的CPU 工作頻率為 700 MHz，主板周圍有 USB 接口及以太網(wǎng)接口、HDMI 接口，便于連接外部設(shè)備。同時在 Raspberry Pi 的主板上還有豐富的GPIO 口（General Purpose Input Output，GPIO）[3]，支持多種協(xié)議，方便用戶與下位機(jī)及相關(guān)設(shè)備連接。正因為其體積小、功耗低以及性能強(qiáng)等一系列優(yōu)點，此開發(fā)板在物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式開發(fā)中被廣泛采用。本文選用B+ 版本，相比早期版本，此款內(nèi)置了40 個 GPIO 口，增加的接口也為產(chǎn)品帶來了更大的擴(kuò)展空間。系統(tǒng)連接示意圖如圖1 所示。所有擴(kuò)展設(shè)備均通過GPIO 口連接并使用。

根據(jù)設(shè)計需要，系統(tǒng)采用PMS5003 傳感器模塊對空氣中的PM2.5/PM10 粉塵含量進(jìn)行采集，一方面，PMS5003 傳感器利用激光散射原理，顆粒物分辨精度可達(dá) 1 μg/m3 ；另一方面，其采集的數(shù)據(jù)可以直接通過串口發(fā)送，無需A/D 轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)采用SHT30-DIS 模塊對溫濕度進(jìn)行采集。該傳感器內(nèi)含熱敏電容，穩(wěn)定性好，數(shù)據(jù)精度高，同時還可使用 I2C 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。而對于甲醛、甲苯等 VOC 氣體的檢測則采用常見的CJMCU-1100 傳感器。

為了實現(xiàn)直觀的結(jié)果輸出，并方便用戶觀察記錄周邊空氣質(zhì)量， 本設(shè)計采用LCD1602 作為顯示輸出設(shè)備。同時為了滿足記錄測量地點數(shù)據(jù)的需求，將 NEO-6M 定位模塊作為GPS 模塊一同集成到整體系統(tǒng)中。整套系統(tǒng)可以通過直連USB 充電器或充電寶啟動運(yùn)行。

1.2 軟件設(shè)計

Raspberry Pi 支持多種操作系統(tǒng)，用戶可以自行選擇并安裝。為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定易用，本設(shè)計在搭建軟件環(huán)境伊始就選用了官方發(fā)布的定制系統(tǒng) Raspbian[4]。此款系統(tǒng)基于Linux 核心，針對Raspberry Pi 開發(fā)定制，支持多種編程語言。本設(shè)計主要采用Python[5] 編程語言開發(fā)程序，以實現(xiàn)軟件功能。同時為了滿足空氣質(zhì)量檢測裝置實時記錄數(shù)據(jù)的要求，配合選取SQLite[6] 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)管理記錄。SQLite 與其他常用數(shù)據(jù)庫相比，資源占用較小，基本功能齊全，非常適合嵌入式系統(tǒng)做數(shù)據(jù)維護(hù)使用。

檢測儀啟動后，會初始化所連接的傳感器模塊、LCD 顯示屏以及GPS 模塊。在各模塊正常啟動并與上位機(jī)建立正常連接之后，系統(tǒng)便開始檢測空氣質(zhì)量。系統(tǒng)工作流程如圖 2 所示。

借助與 Raspberry Pi 連接的各檢測傳感器構(gòu)成的檢測電 路，實現(xiàn)對空氣中相關(guān)參數(shù)的采集與處理，具體包括 PM2.5/ PM10 顆粒物含量、溫濕度、甲醛含量等。經(jīng)驗證，若處理結(jié) 果正確，則系統(tǒng)會繼續(xù)請求獲取 GPS 定位信息，然后將之前 的相關(guān)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)通過顯示屏以文字形式輸出，以展示當(dāng) 前環(huán)境下 PM2.5/PM10 顆粒物含量、溫濕度參數(shù)以及甲醛氣體含量，提示用戶當(dāng)前空氣質(zhì)量等級 ；若驗證處理結(jié)果失敗， 則回到初始化環(huán)節(jié)重新開始。系統(tǒng)成功采集數(shù)據(jù)后可將其上傳至數(shù)據(jù)庫。除了相關(guān)空氣質(zhì)量參數(shù)和 GPS定位信息外，時間戳和系統(tǒng)環(huán)境等相關(guān)數(shù)據(jù)都可以保存在數(shù)據(jù)庫中。后期如果用戶需要對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步統(tǒng)計和研究，可通過上位機(jī)獲得。

2 結(jié) 語

本設(shè)計采用Raspberry Pi 作為嵌入式上位機(jī)，配合多重傳感器實現(xiàn)了對空氣質(zhì)量的實時測量并輸出顯示，同時配合GPS 模塊以及數(shù)據(jù)庫將位置等相關(guān)信息進(jìn)行整合保存。在實際測試中，本系統(tǒng)實測精度高，穩(wěn)定性好，GPS 定位迅速、準(zhǔn)確。測量結(jié)果對于研究和檢測室內(nèi)外空氣環(huán)境質(zhì)量具有重要的應(yīng)用價值。