陳少博 卞宇皓 陳酉杰 廖俊杰 宋志強(qiáng)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)更加快速、高效的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)，采用M702七合一空氣質(zhì)量檢測(cè)模塊和ATK-LORA-01LoRa無(wú)線傳輸模塊，設(shè)計(jì)了一套基于樹(shù)莓派和C++ Builder的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在PC端下達(dá)指令，即可使樹(shù)莓派控制傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，再經(jīng)由無(wú)線傳輸模塊傳輸?shù)絇C端，最后通過(guò)C++ Builder開(kāi)發(fā)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化與儲(chǔ)存。開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)可與無(wú)人機(jī)等硬件結(jié)合實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，彌補(bǔ)了基站監(jiān)測(cè)無(wú)法進(jìn)入高危環(huán)境內(nèi)部監(jiān)測(cè)的缺陷，有較高的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè);樹(shù)莓派;無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸;C++ Builder

中圖分類號(hào)：TP273 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）13-0113-03

1 引言

近些年，各種天氣、環(huán)境災(zāi)害頻發(fā)不斷，人們的生存環(huán)境每況愈下。這一系列的環(huán)境污染會(huì)直接影響人們的日常生活與身體健康[1]，最為直觀的就是霧霾現(xiàn)象和呼吸性疾病的增長(zhǎng)情況。而近些年導(dǎo)致環(huán)境惡化的因素主要是隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化程度的提高，重工業(yè)的不斷發(fā)展，各種機(jī)械設(shè)備的運(yùn)作和大街上日益增多的汽車(chē)。這些機(jī)械的運(yùn)作無(wú)時(shí)無(wú)刻不在燃燒著汽油和煤炭，向空氣中釋放著大量的氮氧化物、硫化物等污染氣體。

環(huán)境的持續(xù)惡化，時(shí)刻提醒人們正面臨嚴(yán)重的空氣污染問(wèn)題[2]，環(huán)境治理刻不容緩。而對(duì)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)在環(huán)境的治理中是重中之重的，目前國(guó)內(nèi)所使用的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是基于基站的大型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，也叫作空氣站。空氣站在一些環(huán)保重點(diǎn)城市會(huì)根據(jù)城市區(qū)域建設(shè)若干個(gè)來(lái)保證對(duì)城市已建區(qū)域的覆蓋，以此達(dá)到對(duì)整座城市的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)。但空氣站占用面積較大，又是固定的站點(diǎn)無(wú)法移動(dòng)，所以檢測(cè)到的數(shù)據(jù)精確度不高，會(huì)與實(shí)際空氣質(zhì)量有一定誤差。并且，目前空氣站沒(méi)有做到全國(guó)覆蓋，對(duì)于一些突發(fā)的自然環(huán)境災(zāi)害和緊急污染事件就無(wú)法及時(shí)地做出數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，導(dǎo)致政府無(wú)法做到高效、正確地解決問(wèn)題?？諝庹镜慕ㄔ斐杀景嘿F，開(kāi)發(fā)難度較高，維修成本不菲，因此也無(wú)法投入民用，已經(jīng)不能滿足當(dāng)前環(huán)境監(jiān)測(cè)的需求。

本文基于樹(shù)莓派和C++ Builder開(kāi)發(fā)了一套空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在樹(shù)莓派端實(shí)現(xiàn)了自主數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸，PC端由無(wú)線傳輸模塊接收數(shù)據(jù)后，通過(guò)C++ Builder軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示與存儲(chǔ)。樹(shù)莓派便于攜帶與開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不足。

2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能

空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由樹(shù)莓派、空氣質(zhì)量檢測(cè)模塊、無(wú)線傳輸模塊、PC機(jī)四部分組成，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在本套系統(tǒng)中，樹(shù)莓派是整個(gè)系統(tǒng)的核心，當(dāng)PC端對(duì)樹(shù)莓派發(fā)送開(kāi)始監(jiān)測(cè)的指令時(shí)，首先由樹(shù)莓派控制M702七合一空氣質(zhì)量檢測(cè)模塊對(duì)空氣中的各種成分進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并通過(guò)串口將采集到的數(shù)據(jù)傳遞給樹(shù)莓派，再通過(guò)無(wú)線傳輸模塊將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至PC端。PC端會(huì)基于C++ Builder軟件根據(jù)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)模塊的通信協(xié)議進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)單位的十進(jìn)制數(shù)，并且將其實(shí)時(shí)顯示以達(dá)到空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)作用。

本系統(tǒng)中使用的無(wú)線傳輸模塊是基于天線的無(wú)線串口模塊，只需將兩個(gè)模塊的參數(shù)設(shè)置一樣，通過(guò)杜邦線和USB轉(zhuǎn)接線分別連接樹(shù)莓派和PC端即可進(jìn)行數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。

在PC端所設(shè)計(jì)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)軟件，除了可以將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)單位的十進(jìn)制數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)之外，還具有將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)、導(dǎo)出數(shù)據(jù)和以報(bào)表形式查看等輔助功能。本系統(tǒng)后期還可將樹(shù)莓派與無(wú)人機(jī)、遙控汽車(chē)等遠(yuǎn)程遙控設(shè)備相結(jié)合，操作人員可實(shí)現(xiàn)任何設(shè)定環(huán)境的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不足。

3 系統(tǒng)硬件開(kāi)發(fā)

3.1樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建

本次系統(tǒng)開(kāi)發(fā)選擇的是2019年最新發(fā)布的樹(shù)莓派4B，樹(shù)莓派4B開(kāi)發(fā)板主要部件有CPU、內(nèi)存芯片、USB、電源、千兆以太網(wǎng)口等，具有良好的運(yùn)算與處理能力[3]。樹(shù)莓派4B的CPU搭載1.5GHz，四核BroadcomBCM2711處理器，并且高達(dá)4GB RAM。此外，樹(shù)莓派4B還提供了豐富的對(duì)外接口，包括兩個(gè)USB2.0接口、兩個(gè)USB3.0接口和40個(gè)針通用I/O接口等。

作為本次系統(tǒng)的核心部件樹(shù)莓派，要對(duì)其進(jìn)行開(kāi)發(fā)環(huán)境的搭建才可以完成與空氣質(zhì)量檢測(cè)模塊、無(wú)線傳輸模塊的應(yīng)用。將準(zhǔn)備好的SD讀卡器插入計(jì)算機(jī)。使用SDFormatterSD格式化工具將SD卡進(jìn)行格式化[4]。到官方網(wǎng)站下載操作系統(tǒng)，選擇Raspbian Buster with desktop，點(diǎn)擊Download ZIP，然后解壓縮下載的安裝包，得到a.img文件。接下來(lái)，使用Win32DiskImager硬盤(pán)鏡像軟件將下載的img文件寫(xiě)入SD卡。在映像文件選擇之前解壓得到的.img文件，選擇SD卡驅(qū)動(dòng)器盤(pán)符，單擊“寫(xiě)入”，等待寫(xiě)入完成，關(guān)閉程序，此時(shí)SD卡已加載Raspbian操作系統(tǒng)，樹(shù)莓派4B的開(kāi)發(fā)環(huán)境就已經(jīng)搭建完畢。

3.2 M702七合一空氣質(zhì)量檢測(cè)模塊

M702七合一傳感器模塊是一款性價(jià)比較高的數(shù)字串口輸出傳感器模塊，采用UART串口電平輸出模式（UART接口定義如表1所示），可對(duì)CO2、甲醛、TVOC、激光粉塵PM2.5、PM10顆粒物、溫度、濕度共七種物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)。該模塊可對(duì)所處環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)綜合檢測(cè)，具有較好的穩(wěn)定性，非常方便使用。該款檢測(cè)模塊還具有較高的精確度，其中溫度可以精確到0.1度，濕度可以精確到0.1%，并且它還可以每?jī)擅胪ㄟ^(guò)UART信號(hào)輸出七組傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，其UART接口定義如表1所示。

模塊與上位機(jī)連接的主通信口，采用了標(biāo)準(zhǔn)串行RS-485通信口。信息傳輸方式為異步，起始位為1位，數(shù)據(jù)位為8位，停止位為1位，無(wú)校驗(yàn)，數(shù)據(jù)傳輸缺省速率為9600b/s。

M702七合一空氣質(zhì)量檢測(cè)模塊的通信協(xié)議如表2所示。

由通信協(xié)議可知，校驗(yàn)和B17等于：B1+B2+…+B16的值，取低8位。當(dāng)溫度對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)B13的bit7=1 時(shí)，代表溫度為負(fù)，當(dāng)B13的bit7=0 時(shí)，代表溫度為正。

3.3 ATK-LORA-01無(wú)線串口模塊

ATK-LORA-01是ALIENTEK推出的一款遠(yuǎn)距離LORA無(wú)線串口模塊，具有小體積、微功率、功耗低、性能高等優(yōu)點(diǎn)[5]。該模塊采用高效ISM的頻段射頻SX1278擴(kuò)頻芯片[6]。模塊的工作頻率范圍從410Mhz到441Mhz[7]，并且模塊以1Mhz頻率作為步進(jìn)通道，共有32個(gè)通道。模塊還可以通過(guò)AT指令在線改變發(fā)射功率、串口速率、空中速率、工作模式等各種參數(shù)，且支持固件升級(jí)功能。該模塊基于SMA天線，最高通信距離約達(dá)3000米且該模塊的通信接口包括UART串口，8N1、8E1、8O1，從1200-115200共8種波特率。該模塊通過(guò)1*6的排針同外部連接，模塊連接如圖2所示，樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)板可通過(guò)杜邦線直接與模塊對(duì)接，對(duì)模塊進(jìn)行測(cè)試。

該模塊在使用時(shí)會(huì)根據(jù)MD0的配置與AUX引腳的狀態(tài)進(jìn)入不同的功能，本系統(tǒng)只用到其中的配置功能和通信功能，其他的暫不做闡述。當(dāng)模塊上電后，AUX進(jìn)入空閑狀態(tài)即AUX=0，若MD0=1則模塊進(jìn)入配置功能。此時(shí)可通過(guò)官方提供的ATK-LORA配置軟件對(duì)模塊進(jìn)行配置，只需將兩個(gè)模塊的地址、信道和無(wú)線速率（非串口波特率）等一系列參數(shù)配置相同，保存配置即可。當(dāng)MD0=0時(shí)，模塊就進(jìn)入了通信功能，此時(shí)只需將兩個(gè)配置相同的模塊分別連接樹(shù)莓派和PC端，在傳輸方式選項(xiàng)中選擇透明傳輸，即可進(jìn)行通訊。并且在透明模式下兩個(gè)模塊都可以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，也可以將多個(gè)模塊配置為相同參數(shù)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)多的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，其工作示意圖如圖3所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1樹(shù)莓派數(shù)據(jù)傳輸軟件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目中使用的M702七合一傳感器模塊采用UART串口電平輸出模式，與樹(shù)莓派上GPIO口連接即可進(jìn)行通訊，因此應(yīng)該首先在樹(shù)莓派上配置UART串口。

樹(shù)莓派4B擁有多組串口可以使用，各GPIO默認(rèn)配置不同。在本項(xiàng)目中，需要樹(shù)莓派連接M702傳感器模塊與LoRa模塊，因此需要配置兩組UART串口。默認(rèn)配置的UART串口為GPIO14與GPIO15，這兩個(gè)串口默認(rèn)承擔(dān)藍(lán)牙功能，因此不使用，而是更改GPIO0、1、4、5四個(gè)串口的配置，將它們配置為兩組UART串口，供溫度監(jiān)測(cè)模塊和LoRa模塊使用。

然后根據(jù)M702傳感器模塊和LoRa模塊內(nèi)置的通訊協(xié)議編寫(xiě)傳輸程序。當(dāng)樹(shù)莓派向傳感器發(fā)送固定編碼后，傳感器會(huì)以平均兩秒一次向樹(shù)莓派發(fā)送數(shù)據(jù)。在樹(shù)莓派上，可通過(guò)Python中的serial庫(kù)函數(shù)來(lái)配置UART串口參數(shù)并每?jī)擅脒M(jìn)行一次發(fā)送、接收數(shù)據(jù)即可。同時(shí)還可以在同一個(gè)程序中同時(shí)控制兩組UART串口收發(fā)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)直接將數(shù)據(jù)不保存到本地通過(guò)LoRa模塊傳輸?shù)接脩舳恕＼浖O(shè)計(jì)框架如圖4所示。

4.2數(shù)據(jù)顯示軟件設(shè)計(jì)

C++ Builder是一款基于VCL庫(kù)的可視化開(kāi)發(fā)工具，集數(shù)據(jù)采集和顯示為一體[8]，在數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)和基礎(chǔ)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)等方面表現(xiàn)出極其優(yōu)異的性能。它還提供了一套可視化開(kāi)發(fā)工具，如可視化窗口設(shè)計(jì)器、控制面板和集成編輯器等。只需要簡(jiǎn)單地把控件（Component）托到窗體（Form）上，定義它的屬性，設(shè)置外觀就可以快速地建立應(yīng)用程序界面。

本次系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示界面便是基于C++ Builder軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)。主要分為四個(gè)界面，界面一是軟件的主界面，如圖5所示。該界面包括數(shù)據(jù)顯示界面和其他功能按鈕，可以讓操作人員實(shí)時(shí)查看傳感器采集的數(shù)據(jù)。界面二為報(bào)表界面，點(diǎn)擊界面一中的報(bào)表預(yù)覽按鈕即可自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至該界面，主要功能為將通過(guò)LoRa模塊傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)以報(bào)表的形式展現(xiàn)。界面三是數(shù)據(jù)刪除界面，可以刪除數(shù)據(jù)庫(kù)中的冗余數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)。界面四是數(shù)據(jù)搜索界面，用戶可以根據(jù)開(kāi)始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間搜索相應(yīng)時(shí)間段的數(shù)據(jù)。

該軟件可以通過(guò)串口與LoRa模塊連接，當(dāng)有數(shù)據(jù)通過(guò)LoRa模塊傳輸過(guò)來(lái)時(shí)，該軟件會(huì)先對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，若數(shù)據(jù)正確則自動(dòng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_(tái)，根據(jù)M702傳感器的通信協(xié)議將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)據(jù)，然后將十進(jìn)制數(shù)據(jù)在界面一的數(shù)據(jù)顯示界面進(jìn)行顯示，并且自動(dòng)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文開(kāi)發(fā)的基于樹(shù)莓派和C++ Builder的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)體積小、精確度高、開(kāi)發(fā)難度低、開(kāi)發(fā)成本低，充分利用了樹(shù)莓派小巧便捷與開(kāi)發(fā)性高的強(qiáng)大功能，大幅度降低了空氣監(jiān)測(cè)的成本，并且功能擴(kuò)展性強(qiáng)，通過(guò)樹(shù)莓派豐富的接口，后面還可以與其他硬件結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更加優(yōu)良的功能與應(yīng)用。

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