南昌航空大學(xué) 陳 媛 韓星晨 高鴻波

基于Arduino的空氣細(xì)微顆粒物檢測器設(shè)計

南昌航空大學(xué) 陳 媛 韓星晨 高鴻波

基于Arduino對傳感器的處理和控制原理，制作了一個以SHARP粉塵傳感器為傳感器，Arduino Ethernet為控制中心的實時空氣細(xì)微顆粒物檢測器。利用Arduino對SHARP粉塵傳感器的控制，將采集到的空氣細(xì)微顆粒物數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，把Arduino Ethernet板作為PC板的接口，將實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)絰ively網(wǎng)站上，除了能夠利用互聯(lián)網(wǎng)共享數(shù)據(jù)外，借助xively網(wǎng)站對傳感器采集的數(shù)據(jù)處理的優(yōu)勢，將檢測器周圍的空氣質(zhì)量更直觀的呈現(xiàn)給人們。

Arduino；Ethernet板；SHARP粉塵檢測器；xively網(wǎng)站

1.引言

在各大城市，由于“不起眼”的空氣細(xì)微顆粒物(pm2.5)所造成的霧霾天氣越來越嚴(yán)重，進(jìn)而引發(fā)各種嚴(yán)重的呼吸道疾病以及心血管疾病危及人們的身體健康。空氣細(xì)微顆粒物的檢測也引起了人們的重視。然而對于衛(wèi)生環(huán)保局定期公布大范圍城市的空氣為顆粒物的檢測情況已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們的日常生活。我們需要的是隨時，隨地了解我們周圍環(huán)境(如在汽車中，在工廠或者家中的環(huán)境)的pm2.5(空氣細(xì)微顆粒物)，從而做好各種預(yù)防以及清潔措施。雖然國內(nèi)外有各種對粉塵檢測器的研究，但從現(xiàn)有的粉塵器看來，它們大都價格昂貴，且不適合家具個人，常用于工廠，再者體積龐大，所以一個能夠普及大眾經(jīng)濟(jì)實惠小型且又能精確檢測出我們周邊的pm2.5的檢測器變得十分的有必要。在這一背景下，我們制作了一個簡單，攜帶方便，經(jīng)濟(jì)實惠，且適合家具個人的空氣細(xì)微顆粒物檢測器。

本文主要介紹現(xiàn)有的研究，基于Arduino的空氣細(xì)微顆粒物的傳感器的檢測原理即sharp粉塵器，sharp粉塵器與Arduino板的電路簡單搭建，該款傳感器的核心控制—Arduino，xively網(wǎng)站，實現(xiàn)實時共享數(shù)據(jù)不可或缺的部分，以及液晶顯示模塊DS1307。

2.現(xiàn)有研究

從國內(nèi)外文獻(xiàn)研究，現(xiàn)在常用的測細(xì)微顆粒物的方法有：重量法；β射線吸收法；微量振蕩天法。

(1)重量法：將細(xì)微顆粒物直接截留到濾膜上，然后用天平稱重，這就是重量法。

(2)β射線吸收法：將細(xì)微顆粒物收集到濾紙上，然后照射一束beta射線，射線穿過濾紙和顆粒物時由于被散射而衰減，衰減的程度和細(xì)微顆粒物的重量成比。

(3)微量振蕩天平法：一頭粗一頭細(xì)的空心玻璃管，粗頭固定，細(xì)頭裝有濾芯?？諝鈴拇诸^進(jìn)，細(xì)頭出，細(xì)微顆粒物就被截留在濾芯上。在電場的作用下，細(xì)頭以一定頻率振蕩，該頻率和細(xì)頭重量的平方根成反比。于是，根據(jù)振蕩頻率的變化，就可以算出收集到的細(xì)微顆粒物的重量。

基于上述的研究方法，國內(nèi)外研究了幾款傳感器，國內(nèi)比較好的粉塵傳感器以GCG1000粉塵傳感器為代表，但該傳感器主要用于煤礦不適用家居以及個人使用，以及體型龐大，價格昂貴。國外Dylos公司生產(chǎn)的DC1100 Pro Air Quality空氣細(xì)微顆粒檢測儀是一個真正的激光顆粒檢測器，帶兩種不同的測量范圍。小的通道(0.5微米)應(yīng)該可以看到細(xì)菌和霉菌。高一點的通道(2.5微米)可以看到灰塵和花粉。本設(shè)備能保存長達(dá)30天的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)。雖然具有各方面的優(yōu)勢，但價格較貴，不適家居。

3.空氣細(xì)微顆粒物檢測器的制做

3.1 硬件電路設(shè)計

制作一個小型經(jīng)濟(jì)實惠的空氣細(xì)微顆粒物檢測器，選取粉塵傳感器是十分重要的。通過對空氣細(xì)微顆粒物檢測的原理學(xué)習(xí)，考慮到檢測的精度，經(jīng)濟(jì)成本，我們選取sharp粉塵器(夏普粉塵傳感器)。夏普粉塵器的傳感器精度0.1mg/cm3，在5v的激勵電壓下即可使用，同時也適用于常溫之下。這塊檢測電路的主要核心為Arduino Ethenet板，它是以Arduino為核心處理器的一塊板子，Arduino能通過各種各樣的傳感器來感知環(huán)境，Arduino Ethenet特別之處：(1)數(shù)字口10、11、12、13是預(yù)留作為與Ethernet模塊通訊，因此可用的數(shù)字IO口只有9個，其中4個可以作為PWM輸出；(2)還有接USB轉(zhuǎn)串口通信。利用這兩個特性作pc的接口，同時它附帶的w5100能夠?qū)崿F(xiàn)以太網(wǎng)的功能，即連接電腦，實現(xiàn)可聯(lián)網(wǎng)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絰ively上去。xively是一種網(wǎng)(http://www.xively.com)，它幫助你在世界范圍連接和共享來自物體、設(shè)備、建筑和環(huán)境的感應(yīng)裝置實時數(shù)據(jù)，并且創(chuàng)建標(biāo)簽。綜上所述，我們可以利用Arduino作為底層的感知點，而xively則可以作為上層的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。夏普粉塵傳感器的原理是：如果空氣中的塵埃流入感測器的的中央孔穴時，紅外發(fā)光二極管的光線會散射，此時利用光檢測器檢測散射光，就能達(dá)到檢測塵埃的目的。

其次我們將夏普粉塵傳感器與Arduino Ethenet連接，圖3.1為連接管腳圖以及粉塵器內(nèi)部檢測電路。

最后在顯示模塊中，我們利用了DS1307的能夠?qū)崟r顯示時刻的特性，以Arduino作為核心控制器器，LM1602液晶作為顯示器，制作顯示電路模塊。圖3.2為最終成型電路。

圖3.1 連接管腳圖以及粉塵器內(nèi)部檢測電路(該圖摘自夏普粉塵器的說明書)

圖3.2 最終成型電路

3.2 實物成型及實驗檢測結(jié)果

現(xiàn)在我們利用空氣細(xì)微顆粒物檢測器首先在無煙環(huán)境下的顯示情況(如圖3.3所示)：

D(density)表示空氣中細(xì)微顆粒物的濃度(mg/m3)，由于是陰雨天的數(shù)據(jù)，故濃度值偏高。后面字母表示等級(A為濃度值小于150，B為濃度值在150-300，C為濃度值在300-1050，D為濃度值在1050-3000，E為濃度值大于3000)。

下面一幅圖為人為制造的煙霧(向傳感器吹的香煙煙霧)，并上傳到網(wǎng)站(圖3.4)從圖中可以看出該空氣質(zhì)量為D并不好。

圖3.3

圖3.4

4.結(jié)束語

這款空氣細(xì)微顆粒物檢測器與其他的粉塵檢測器的不同之處在于它能夠利用Arduino與PC上的一些軟件相連接，在網(wǎng)上實現(xiàn)共享數(shù)據(jù)。Sharp粉塵器雖然達(dá)不到工業(yè)粉塵器的精確程度，但其精確程度足以滿家庭民用個人需求。因此，這是一款低成本，低能耗，可聯(lián)網(wǎng)，隨時檢測身邊的空氣質(zhì)量的家居空氣細(xì)微顆粒物檢測器。

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