冯永发+陈毅枫+张士同+陈景霞

【摘要】随着城市工业化的不断发展和现代化建设的不断演进，国内外大中型城市都出现了空气污染的状况。尤其是2012年冬天以来，中国华北大部分地区出现了以PM2.5为主要污染物的雾霾天气。大气雾霾的主要由PM2.5、PM10、PM0.1以及重金组成。有关雾霾的重大事件层出不穷，因为空气质量的恶化，阴霾天气现象出现增多，危害现象加剧，因此对PM2.5的测量显得越来越重要。

【关键词】雾霾 测量空气质量

本设计主要目标是检测本地的空气质量指标信息，包括PM2.5，温度、湿度等，并通过无线技术传送到手机端，使得手机用户能实时了解到当地的空气质量信息。本项目主要涉及到网关技术、Web技术和安卓开发技术等，主要包括用户界面设计模块、空气质量监测模块和云端服务器模块。

随着信息化时代的发展，健康防护问题被看的越来越重要。作为保护人身体健康的一类设备，传感器可谓是一项伟大的科技发展。因为空气质量的恶化，阴霾天气现象出现增多，危害现象加重。中国不少地区把阴霾天气现象并入雾一起作为灾害性天气预警预报。统称为“雾霾天气”。雾霾主要由PM2.5、PM10、PM0.1以及重金组成。在空气动力学和环境气象学中，颗粒物是按直径大小来分类的，粒径小于100微米的称为TSP，即总悬浮物颗粒；粒径小于10微米的称为pm10，即可吸收颗粒物；粒径小于2.5微米的称为pm2.5，即可入肺颗粒物，它的直径仅相当于人的头发丝粗细的1/20.虽然Pm2.5只是地球大气成分中含量很少的组分，但它与较粗的大气颗粒物相比，粒径小，富含大量的有毒、有害物质且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境影响更大。因此，对pm2.5的检测与治理便显得越来越重要。

一、系统的总体架构设计

过去传统模式测量pm2.5的方法是侧重法将Pm2.5直接截留到滤膜上然后用天平称重，这种就是重量法。重量法是最直接、最可靠的方法，但是其的人工称重程序繁琐，不够简洁，适用于做实验。其次就是β射线吸收法：将PM2.5收集到滤纸上，然后照射一束beta射线，射线穿过滤纸和颗粒物时由于被散射而衰减，衰减的程度和PM2.5的重量成正比。根据射线的衰减就可以计算出PM2.5的重量。微量振荡天平法：一头粗一头细的空心玻璃管，粗头固定，细头装有滤芯。空气从粗头进，细头出，PM2.5就被截留在滤芯上。在电场的作用下，细头以一定频率振荡，该频率和细头重量的平方根、成反比。于是，根据振荡频率的变化，就可以算出收集到的PM2.5的重量。整体软件设计模块如图1。

本项目的主要创新点在于满足了个人空气质量监测的需求。通过运用物联网技术将设备的数据呈现在手机终端，用户可以根据自身的需求将空气质量监测设备放置在不同的地理位置，进而从手机终端就能查看自己所关注的位置的空气质量信息。这充分体现了物联网与移动互联网相融合的优势。

二、手机终端架构

掌握整体设计的前提下，绘制检测板软件整体设计流程图。制作电路板，并将各模块连接，模拟实际工业领域场景，进行整机调试。对测试出现的问题，及时修改软件，硬件一定要在前期要确定。本系统手机终端架构如图2

三、硬件设计介绍

电源模块由AC-DC 电源、DC-DC 电源和继电器控制电路构成。其中，AC-DC 电源将220 交流电转化为12 V 直流电，DC-DC 电源使用降压电路（围绕AOZ1036PI 芯片）将12 V 电压转化为5 V 和3.3 V，继电器控制电路完成继电器开/关和电机驱动，用于接收控制信号后进行相关功能的调节。控制模块主要有STM32 芯片、触摸屏（TFT 液晶）、通信接口组成。其中STM32 芯片与其他外围电路主要完成数据收集、处理、转发和指令发送等，用于控制其他模块；触摸屏用于与用户交互、显示收集到的信息；通信接口电路主要完成指令、数据等信息的传递。其工作方式为：1） 觸摸屏或通信接口电路接收控制指令信号，传递给STM32，并由STM32 通过通信接口使能相应的工作模块；2） 通过通信接口模块收集检测模块传送的数据，对数据进行分析处理，结果传送给触摸屏进行显示，同时传送给通信模块，由其发送至服务器。

检测模块端，由单片机、粉尘检测传感器、显示模块、报警等模块组成路，GP2Y1010AUOF粉尘传感器采集空气中pm2.5的浓度值，经过单片机处理后，在LCD1602液晶上显示，并且设置一个报警值，检测的pm2.5浓度值超过报警值后，蜂鸣器报警，报警值可以用按键手动调节。另外，该设计在实时检测浓度的同时，根据当前检测浓度亮起相应的灯。

四、软件介绍

在本课题中对空气质量各个指标及指数进行采集并传送到业务平台的过程中使用到了WOT技术。其中感知层包括采集空气指数的物理设备空气质量监测仪，环保局监测空气指数的各类传感器。传感器采集空气中的各类污染物的含量，包括PM2.5等。在网络层，空气质量监测设备通过内嵌的S1M卡，利用GPRS网络，将采集到的物理数据的各个指标传送到业务平台。在应用层利用Android开发技术，将感知层釆集到的空气指数展现在智能手机终端上。

Web Service 技术，Web Service技术为网络上需要进行互通和通信的资源提供了一种标准的接口。Web Service基于Web上己发展成熟的诸多开放和统一的标准，如基于广泛使用的HTTP协议，基于简单而又易用的XML数据格式。

Android技术，需要熟悉安卓系统的Linux内核层、系统运行库、应用程序框架和应用程序层，并进行开发。

五、总结

本文针对传统空气净化器存在的净化时间长、空气质量监测数据无法精确显示的问题，设计了一种基于物联网技术的智能空气质量检测系统。通过实测验证，完全实现了对环境空气质量状况的远程实时监测，并通过远程控制净化开启（是/否）来间接解决空气净化器净化时间长的问题，从而进一步的提升用户体验，具有较好的应用价值

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