沈華剛 洪香勤 都興隆

摘 要：文章針對(duì)城市中PM2.5進(jìn)行分析監(jiān)視，并把數(shù)據(jù)實(shí)行顯示在下位機(jī)和網(wǎng)絡(luò)端。有利于相關(guān)部門或個(gè)人獲得PM2.5數(shù)據(jù)信息，及時(shí)對(duì)惡劣污染作出反應(yīng)，減少惡劣環(huán)境對(duì)人們的侵害。本系統(tǒng)由Arduino uno R3開發(fā)板、PM2.5傳感器、LCD液晶顯示模塊、蜂鳴器報(bào)警裝置、W5100等模塊組成，空氣中的PM2.5被傳感器采集，數(shù)據(jù)經(jīng)過Arduino單片機(jī)處理后，顯示在LCD12864顯示屏上，并通過W5100把數(shù)據(jù)傳到網(wǎng)絡(luò)端，由C#接收數(shù)據(jù)并保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)端顯示數(shù)據(jù)和曲線。

關(guān)鍵詞：Arduino；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；PM2.5

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路

本設(shè)計(jì)所要介紹的是基于Arduino單片機(jī)的PM2.5檢測(cè)裝置及通過W5100上傳到網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)顯示系統(tǒng)。利用PM2.5傳感器檢測(cè)PM2.5值，經(jīng)Arduino處理后在12864液晶顯示屏上顯示，供人觀測(cè)。將獲取的PM2.5值利用C#保存到SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)中利用C#，ECharts，JQuery技術(shù)將PM2.5值以折線的形式顯示在網(wǎng)頁(yè)中，可以顯示不同時(shí)段、不同間隔的PM2.5值，當(dāng)檢測(cè)到的PM2.5值超過警戒值時(shí)，在下位機(jī)上蜂鳴器會(huì)發(fā)聲，同時(shí)在液晶屏上出現(xiàn)哭臉，在網(wǎng)絡(luò)端會(huì)發(fā)郵件給環(huán)境管理人員；當(dāng)環(huán)境溫度正常時(shí)，在下位機(jī)上顯示笑臉，并顯示PM2.5數(shù)據(jù)[1]。

2 元器件的選擇

2.1 單片機(jī)部分

本系統(tǒng)采用Arduino單片機(jī)，該單片機(jī)常用于3D打印機(jī)的控制，是一塊基于開放源代碼新型開源單片機(jī)，包括12數(shù)字通道，4個(gè)PWM端口，8個(gè)ADC接口，Arduino簡(jiǎn)單易學(xué)，使用類似Java，C語言編程開發(fā)環(huán)境。使用者可以快速使用Arduino與Flash或Processing等軟件實(shí)現(xiàn)常用的功能。

2.2 傳感器部分

選擇工作電壓為4.8～5.2 V夏普二代粉塵傳感器，其工作溫度-20～70 ℃，該傳感器內(nèi)部集成單片機(jī)驅(qū)動(dòng)算法，檢測(cè)到PM2.5數(shù)據(jù)直接通過傳感器的串口輸出。在編程時(shí)直接通過相應(yīng)的單片機(jī)解析得到16位數(shù)據(jù)即可，數(shù)據(jù)輸出方式有模擬端口和串口兩種方式，在編程時(shí)可以利用模擬端口輸出電壓值Vo乘以修正系數(shù)K即得到PM2.5值；也可以利用串口輸出值Vo，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)該根據(jù)傳感器輸出的不同的電壓確定相應(yīng)的灰塵質(zhì)量分?jǐn)?shù)[2]。

2.3 蜂鳴器

蜂鳴器是一種產(chǎn)生鳴叫的電子元器件，采用直流電源供電，在需要報(bào)警發(fā)聲或利用聲音起提示功能的電路中經(jīng)常使用。蜂鳴器可以分為兩類：一類是利用電壓發(fā)聲的壓電式蜂鳴器，另一種是利用電磁感應(yīng)原理發(fā)聲的電磁式蜂鳴器。

3 顯示部分

本次系統(tǒng)選擇了LCD12864液晶顯示屏作為PM2.5顯示部分，LCD12864液晶顯示屏支持串行和并行兩種模式，既可以顯示中文也可以顯示英文和表情符號(hào)，在編程時(shí)只要把中文和表情利用軟件轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)據(jù)即可在該液晶屏上顯示，可直觀地顯示當(dāng)前的PM2.5值。

LCD12864液晶顯示屏廣泛應(yīng)用于單片機(jī)控制系統(tǒng)，可以顯示英文也可以顯示漢字、圖片、曲線等數(shù)據(jù)。LCD12864液晶顯示屏集成度很高，一般由行驅(qū)動(dòng)芯片、數(shù)據(jù)控制芯片和列驅(qū)動(dòng)芯片三大模塊組成，LCD12864液晶顯示屏帶由漢字庫(kù)，所以能夠顯示漢字和表情。Arduino單片機(jī)讀寫LCD12864液晶顯示屏數(shù)據(jù)實(shí)際上就是對(duì)LCD的控制芯片進(jìn)行讀寫。利用Arduino單片機(jī)編程驅(qū)動(dòng)LCD12864液晶顯示屏?xí)r，不需要對(duì)LCD12864液晶顯示屏的原理進(jìn)行深入了解，只要調(diào)用Arduino的液晶顯示屏庫(kù)文件和相應(yīng)的方法就可以了[3]。

LCD12864顯示屏使用時(shí)注意事項(xiàng)：（1）當(dāng)使用LCD12864顯示屏?xí)r，在讀取數(shù)據(jù)時(shí)視線應(yīng)該垂直于液晶顯示屏。（2）防止LCD12864顯示屏液晶屏跌落或撞擊，避免液晶顯示屏破裂。（3）液晶顯示屏表面避免有液體，當(dāng)出現(xiàn)液體時(shí)盡快擦干以防止液晶屏腐蝕，降低顯示效果。（4）LCD12864顯示屏液晶屏液晶模組應(yīng)在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)使用。（5）不要在LCD12864顯示屏的電源斷路器（Power Circuit Breaker，PCB）板上打孔，不要私自打開移動(dòng)或修改顯示屏的元件。（6）避免靜電[4]。

4 數(shù)據(jù)處理及編程思路

夏普PM2.5傳感器接收到的數(shù)據(jù)按公式計(jì)算后轉(zhuǎn)換成電壓Vo的值，計(jì)算公式如下：Vo=（Vout（H）×256+Vout（L））/1 024×5。

例如：Vout（H）=0x01，轉(zhuǎn)換為10進(jìn)制為1；Vout（L）=0xe0，轉(zhuǎn)換為10進(jìn)制為224；則Vo=（1×256+224）/1024×5=2.344 V。

得到Vo的數(shù)值后，乘以灰塵修正系數(shù)K即可得到PM2.5的質(zhì)量分?jǐn)?shù)值：灰塵質(zhì)量分?jǐn)?shù)=K×Vo。

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)PM2.5監(jiān)測(cè)方案最基本的實(shí)現(xiàn)方法是由Arduino uno R3開發(fā)板、PM2.5傳感器、LCD液晶顯示模塊、蜂鳴器報(bào)警裝置、W5100等組件組成的電路，空氣中的PM2.5被傳感器采集，其數(shù)據(jù)經(jīng)過Arduino單片機(jī)處理后，最終結(jié)果會(huì)在LCD顯示屏上顯示。PM2.5值高于報(bào)警值后，蜂鳴器會(huì)報(bào)警[5]。另外，本課題不僅能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)PM2.5的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，也可以根據(jù)當(dāng)前檢測(cè)的PM2.5質(zhì)量分?jǐn)?shù)值是否超標(biāo)做出反應(yīng)，超標(biāo)時(shí)蜂鳴器會(huì)報(bào)警，表情會(huì)變成哭臉。報(bào)警值可以預(yù)設(shè)程序中的臨界值，根據(jù)PM2.5檢測(cè)網(wǎng)的空氣質(zhì)量新標(biāo)準(zhǔn)：優(yōu) 0～35 μg/m3，良35～75 μg/m3，輕度污染75～115 μg/m3，中度污染 115～150 μg/m3，重度污染150～250 μg/m3，嚴(yán)重污染大于250 μg/m3及以上，故編寫下位機(jī)程序的思路如下。

檢測(cè)的PM2.5的質(zhì)量分?jǐn)?shù)值在300以下，蜂鳴器不鳴叫，表示環(huán)境未達(dá)到嚴(yán)重污染，表情為笑臉；檢測(cè)的PM2.5的質(zhì)量分?jǐn)?shù)值在300以上，蜂鳴器鳴叫，表示環(huán)境達(dá)到嚴(yán)重污染，表情為哭臉[6]。

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)編程是將Arduino接收到的PM2.5值利用w5100將監(jiān)測(cè)到的PM2.5值傳送W5100的網(wǎng)關(guān)http：//192.168.1.177/，利用C#抓取http：//192.168.1.177/網(wǎng)頁(yè)中的內(nèi)容，分解得到PM2.5值并存入數(shù)組和數(shù)據(jù)庫(kù)，利用C#，AJAX，JSON，ECharts，JQuery技術(shù)將PM2.5值以折線的形式顯示在網(wǎng)頁(yè)中，可以顯示不同時(shí)段、不同間隔的PM2.5值，當(dāng)檢測(cè)到的PM2.5值超過警戒值時(shí)，在網(wǎng)絡(luò)端會(huì)發(fā)郵件給環(huán)境管理人員[7]?？梢越y(tǒng)計(jì)每一周、每個(gè)月環(huán)境處于各個(gè)等級(jí)的天數(shù)，以表格中不同字體顏色和折線兩種方式反映PM2.5的情況。

5 程序運(yùn)行情況

圖1是下位機(jī)的運(yùn)行情況圖，當(dāng)PM2.5正常的時(shí)候出現(xiàn)笑臉，并且顯示PM2.5的值。當(dāng)檢測(cè)到的PM2.5值超過警戒值時(shí)，在下位機(jī)上蜂鳴器會(huì)發(fā)聲，同時(shí)在液晶屏上出現(xiàn)哭臉。

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