吳觀德, 歐陽(yáng)明廷

（1.惠州市特仕科技有限公司,惠州 510086； 2.電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院，成都 610054）

一種具有云端通信功能的PM 2.5檢測(cè)器設(shè)計(jì)

吳觀德1, 歐陽(yáng)明廷2

（1.惠州市特仕科技有限公司,惠州 510086； 2.電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院，成都 610054）

設(shè)計(jì)一種能快速檢測(cè)空氣中的PM 2.5濃度的檢測(cè)器，作為公司PM 2.5大數(shù)據(jù)的智能硬件終端。系統(tǒng)采用MSP430F149作為主控MCU，選用SDS018 PM 2.5傳感器模塊和hc-05藍(lán)牙通訊模塊，傳感器模塊和藍(lán)牙通信模塊分別與MCU串行口連接并通信。MCU定時(shí)采集傳感器模塊數(shù)據(jù)，通過(guò)藍(lán)牙通信模塊將PM 2.5數(shù)據(jù)發(fā)送至智能終端，通過(guò)設(shè)計(jì)移動(dòng)端APP可顯示PM 2.5數(shù)據(jù)，同時(shí)APP將系統(tǒng)時(shí)間、地理位置發(fā)送至云端服務(wù)器以實(shí)現(xiàn)公司對(duì)PM 2.5大數(shù)據(jù)的管理和應(yīng)用。

PM 2.5；藍(lán)牙；智能硬件

引言

隨著霧霾天氣頻繁出現(xiàn)，嚴(yán)重影響了人們的生活和健康。人民對(duì)霧霾的關(guān)注度越來(lái)越高，人們迫切希望能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的掌握家居和關(guān)注地區(qū)的霧霾情況。PM 2.5作為近年來(lái)反應(yīng)霧霾程度和空氣質(zhì)量的重要指標(biāo)參數(shù)，其檢測(cè)傳感器研制、檢測(cè)儀器開(kāi)發(fā)以及大范圍內(nèi)PM 2.5分布情況等得到企業(yè)界的重視[1]。為此，本公司在PM 2.5云端大數(shù)據(jù)平臺(tái)基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)一種具有和云端大數(shù)據(jù)平臺(tái)通信的PM 2.5檢測(cè)器，一方面方便人們快速檢測(cè)PM 2.5以獲知環(huán)境質(zhì)量[2]；另一方面通過(guò)云端服務(wù)器可構(gòu)建PM 2.5大范圍污染分別情況，并可服務(wù)本文設(shè)計(jì)終端用戶(hù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為了達(dá)到便攜式設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)采用藍(lán)牙通信模塊以建立和智能移動(dòng)終端，如手機(jī)的通信，通過(guò)智能終端的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)或WiFi等建立和云端數(shù)據(jù)平臺(tái)的internet通信。用戶(hù)通過(guò)智能終端應(yīng)用APP可實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地的PM 2.5檢測(cè)與查詢(xún)，具有云端服務(wù)的PM 2.5檢測(cè)與服務(wù)的系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖1所示。圖中各用戶(hù)可以通過(guò)藍(lán)牙和PM 2.5檢測(cè)器近場(chǎng)通信實(shí)現(xiàn)PM 2.5的檢測(cè)與顯示，通過(guò)客戶(hù)端APP將檢測(cè)結(jié)果、時(shí)間、地理位置等信息一并發(fā)送到云端服務(wù)器；同時(shí)也通過(guò)云服務(wù)進(jìn)行遠(yuǎn)程查詢(xún)各地PM 2.5情況。

圖1 具有云服務(wù)的PM 2.5檢測(cè)與服務(wù)的系統(tǒng)圖

2 PM 2.5檢測(cè)器硬件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)上述具有云端通信的PM 2.5檢測(cè)器，檢測(cè)器采用藍(lán)牙與智能終端通信，利用智能終端APP進(jìn)行檢測(cè)結(jié)果顯示，同時(shí)通過(guò)智能終端接入internet的靈便性實(shí)現(xiàn)與云端服務(wù)器的通信。為了達(dá)到便攜的設(shè)計(jì)目的，系統(tǒng)采用家居最常用的通電寶供電，即USB供電。系統(tǒng)選用MSP430F149為主控MCU芯片[3，4]；通過(guò)選用諾方SDS018傳感器為PM 2.5檢測(cè)模塊[5]；選用HC-05藍(lán)牙通訊模塊作為連接智能終端的通信手段。藍(lán)牙模塊、傳感器模塊分別與單片機(jī)采用串行口通信連接方式，硬件總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

2.1 PM2.5傳感器接口電路設(shè)計(jì)

SDS018 PM 2.5傳感器具有測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定、變化靈敏的特征。該傳感器模塊接口引腳有6個(gè),除了相應(yīng)的電源外，主要用1 μm引腳的PWM輸出方式。 PWM輸出方式主要有兩種，默認(rèn)為輸出方式1。方式1能夠快速響應(yīng)單片機(jī)的要求，每1 s更新1次，測(cè)得的數(shù)據(jù)精確度非常高；輸出方式2是只要是結(jié)合以前老款的PM 2.5傳感器，方便用戶(hù)升級(jí)原來(lái)的PM 2.5傳感器，PM 2.5傳感器的輸出方式如表1所示。假如采集周期設(shè)置為 5 s，則低脈沖占空比（%） = 全部低脈沖寬度（ms）/ 5 000（ms）×100 ，脈沖占空比（%）與PM 2.5顆粒濃度（μg/m2）關(guān)系線(xiàn)性，具體數(shù)值可參閱模組手冊(cè)。

電路設(shè)計(jì)中將MCU的P1.1引腳與傳感器的1 μm的引腳連接，傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)MCU處理后通過(guò)藍(lán)牙通信發(fā)送到手機(jī)APP。傳感器模塊與MCU連接圖3所示，圖中包括測(cè)量PM 10。

2.2 藍(lán)牙接口電路設(shè)計(jì)

圖2 PM 2.5檢測(cè)器系統(tǒng)原理圖

HC-05藍(lán)牙通信模塊，可以同智能終端如手機(jī)、電腦等藍(lán)牙主機(jī)通信，藍(lán)牙模塊的引腳有NC、VCC、GND、TXD、RXD、STATE共6個(gè)引腳。具體接口電路設(shè)計(jì)時(shí)除工作電源外，將藍(lán)牙模塊的TXD與MCU的RXD引腳P3.7相連；藍(lán)牙模塊的RXD與MCU的TXD引腳P3.6相連，實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙模塊與MCU的串行數(shù)據(jù)傳送，具體接口電路略。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 PM 2.5檢測(cè)器軟件設(shè)計(jì)

硬件嵌入式軟件采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，程序內(nèi)容包括MCU初始化、傳感器初始化、傳感器檢測(cè)與數(shù)據(jù)處理、藍(lán)牙初始化以及通信等。程序流程圖如圖4所示。

3.2 智能終端APP設(shè)計(jì)

智能終端APP主要用于建立藍(lán)牙連接后接收硬件藍(lán)牙模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的PM 2.5的數(shù)據(jù)并進(jìn)行顯示，同時(shí)APP還獲取用戶(hù)所在地理位置、系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)間等數(shù)據(jù)，通過(guò)云端服務(wù)器的IP地址向其發(fā)送數(shù)據(jù)和獲取相關(guān)查詢(xún)數(shù)據(jù)， APP設(shè)計(jì)流程圖圖如5所示。

表1 傳感器輸出方式1

圖3 PM 2.5傳感器模塊與MCU連接電路圖

圖4 硬件嵌入式軟件流程圖

圖5 APP軟件流程圖

4 結(jié)論

本文通過(guò)設(shè)計(jì)一種具有云端通信功能的PM 2.5檢測(cè)器的軟硬件，實(shí)現(xiàn)了快速檢測(cè)空氣中的PM 2.5濃度；通過(guò)設(shè)計(jì)智能終端APP，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)APP顯示PM 2.5數(shù)據(jù)， 同時(shí)APP將PM 2.5、系統(tǒng)時(shí)間、地理位置發(fā)送至云端服務(wù)器。經(jīng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)了APP顯示和云端的通信，有助于公司對(duì)PM 2.5大數(shù)據(jù)的管理和應(yīng)用戰(zhàn)略。

[1] 李杰.一種基于單片機(jī)的空氣質(zhì)量自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)試, 2016.3: 34-36.

[2] 孫波,李爽. PM 2.5檢測(cè)方法及研究進(jìn)展[J].山東化工, 2015, 44(9): 56-57.

[3] 梅祥.基于STM32 的PM 2.5 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī), 2016, 29(9):159-160.

[4] 濟(jì)南諾方電子技術(shù)有限公司,激光PM 2.5傳感器規(guī)格書(shū)[Z]. 2015. 10.

[5] 沈建華,楊艷琴.MSP430超低功耗單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京:清華出版社, 2013.

吳觀德（1984.5- ），男，大學(xué)，助理工程師，主要從事智能硬件研究與開(kāi)發(fā)工作。

Design of PM 2.5 Detector With Cloud Server Communication

WU Guan-de1, OU-YANG Ming-ting2
(1. Huizhou Tesy Technology Co., Ltd., Huizhou 516007；2.School of Optoelectronic Information,University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054，)

This paper designs a rapid detection of PM 2.5 as the company PM 2.5 large data intelligent hardware terminal. The system uses MSP430F149 as the master MCU, chooses SDS018 PM 2.5 sensor module and hc-05 Bluetooth communication module, sensor module and Bluetooth communication module are connected with the MCU serial port and communication. MCU time to collect the sensor module data, through the Bluetooth communication module to send PM 2.5 data to the intelligent terminal, through the design of intelligent terminal APP can display PM 2.5, while the APP sends system time, geographical location to the cloud server to achieve the company PM 2.5 large data management and application.

PM 2.5; Bluetooth; intelligent hardware

TP273.9

A

1004-7204（2017）03-0059-04

本文得到惠州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：2015B010002005、2014B020004020）資助。