一种基于多传感器的PM2.5数据分析系统

    秦瑾+邱晓荣

    

    

    摘要：基于多传感器的数据采集系统是目前大气环境监测的主流方向，本文介绍了基于STM8半导体核心板的大气环境监测系统，对大气环境检测系统的系统组成、硬件组成以及数据传输实现等关键技术做了一定的探讨。实验结果表明，该系统能够很好地监测大气环境中的各项基本数据

    关键词：多传感器；STM8；大气环境监测

    中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）12-0261-02

    1 概述

    随着科学的日益发展和进步，大气环境越来越受到人们的重视，众所周知，人类的生活环境与大气环境存在着密不可分的关系，而如今随着工业的发展，人类正面临各种各样的大气环境问题，如二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫及一些有害气体的浓度大幅超标。近几年，以北京为主的各大城市均受到雾霾天气的严重影响，影响了市民的日常生活。当然，目前全世界大部分城市都受到或多或受的大气环境污染，在恶劣的天气中，不仅仅是对人类的生产生活造成了不利影响，同时也影响到一个国家的可持续发展，因此，在这种情况下，对于大气环境的监测显得尤为重要。

    2 大气环境数据采集系统的硬件组成

    2.1系统设计

    本项目的主要工作是设计了一种基于多传感器的PM2.5数据分析系统。系统的节点控制芯片采用STM8单片机，通过内部定时器定时采集各传感器的数据，并将数据处理成统一的格式，然后通过串口连接Wi-Fi模块，Wi-Fi模块将数据向外发送。

    2.2硬件选型

    1）STM8主控芯片

    STM8是意法半导体的基于高性能8位内核的处理器，配有先进的成套外设。该平台采用的是130nm嵌入式非易性存储器专有技术，内部集成真正的EEPROM数据存储器，可以达到30 万次的擦写周期。STM8S105K4的内核最高运行速度达16MIPs（在最高16MHz时钟频率下），它通过增强型堆栈指针运算、先进的寻址模式和新指令实现快速、安全的开发。并且与当前非常流行的STM32具有相同的外设架构，因此在8位控制器中应用的也比较广泛。STM8具有与MSP430大致相当的片上外设，具有片上10位AD、UART、I2C和SPI等接口。同时，STM8的价格要比MSP430低许多，成本上可以得到很好的控制。

    2）传感器选型

    系统使用的传感器包括温湿度传感器、光照度传感器以及PM2.5尘埃颗粒传感器。

    温湿度传感器选用的是DHT11。DHT11可以达到同时监测空气中的温度和湿度的效果，并且它能够把数据转变成已校准的数字信号，可以从单片机中直接获得它的输出信号。当然DHT11的连接电路也比较简单，基本不需要外围电路。当使用时，DHT11被唤醒，切换成高速模式。等到主机开始信号结束后，DHT11发送响应信号，然后进行数据的传出，并且触发一次数据采集。如果没有收到主机发来的信号，DHT11不会进行自动采集，而是处于低功耗状态。

    光照度传感器选用的是T5516光敏电阻。

    PM2.5尘埃颗粒传感器选用的是Sharp的GP2Y1050AU0F灰尘传感器，该传感器结构相对简单，有GND，VCC和TXD三根组合排列线。该传感器上有一个光传感器，通过粉尘散射后的光线传感器作为电压输出，该传感器拥有非常低的电流消耗（最大20mA），可使用高达7VDC。输出的为模拟电压，其值与粉尘浓度成正比。在采集数据的过程中，主控MCU可以再AD采样和串口通信（RXD）两种放时间选择。输出方式也有模拟端口和串口两种方式。传感器可以测量0.8微米以上的微小粒子，体积小，重量轻，便于安装。

    3）Wi-Fi模块

    Wi-Fi模块选用的是有人科技生产的小体积Wi-Fi模块USR-WiFi232-T，大小只有22mm×13.5mm×6mm，因此能够很好的嵌入到小体积的设备中。它是一款一体化的802.11b/g/n Wi-Fi低功耗解决方案，支持UART/PWM/GPIO数据通讯接口，支持STA（终端）/AP（Access Point，即接入点）/STA+AP共存工作模式，支持Smart Link智能联网功能，通过USR-WiFi232-T模组，传统的低端串口设备或MCU控制的设备都可方便的接入Wi-Fi网络。

    3 Android应用程序的设计

    客户端采用Android平台，通过套接字Socket接收数据。然后将数据保存在本地数据库，用以查询时使用。同时，接收的数据将通过列表和折线图方式提供直观的显示。本系统主要由Android客户端来控制节点数据的采集与发送，如果没有收到客户端发的开始信号，单片机将处于休眠状态，因此可以很好的节省能耗。

    4 项目研究技术路线

    文献法：分类阅读相关文档（包括文字、图形、符号、声频、视频等具有一定理论和实践指导价值的材料），发现问题或得出一般性结论，寻找创新项目的思路。

    实验法：研究制定严谨科学的实验方案（包括实验方法过程的设计、实验材料和工具的选择、研究无关变量及其控制措施、实验的阶段划分、原始过程性资料积累的方案与分工、成果形式的确定等等），完成关键技术的攻关。

    观察法：通过文献阅读和实验操作，了解系统软硬件设备的主要功能和实现方法，进一步明确系统需求和实现。

    经验总结法： 通过项目的前期需求分析、中期分阶段开发、后期集成开发以及测试、发布、部署等工作，形成一套行之有效软件开发方法和创新实践方法。

    5 结束语

    面对日益严重的大气环境污染问题，本文建立了一个基于多传感器的PM2.5数据分析系统。经过测试，系统能够进行数据的采集、存储和显示；在性能上，本系统相对比较稳定，误差也在可以接受的范围之内。由于实验和开发资源的限制，没有大量运用各种传感器终端节点进行各项指标的综合测试。后期可以进一步根据无线传感器网络的特点，对于网关、终端节点和监控中心进行更进一步的测试。

    参考文献：

    [1] 钱志鸿，王义君. 面向物联网的无线传感器网络综述[J]. 电子与信息学报，2013（1）：215-227.

    [2] 王建荣，邱选兵，李传亮，等. 基于物联网的大气环境PM2.5实时监测系统[J]. 河南师范大学学报：自然科学版，2015（6）：40-45.

    [3] 李健. 无线传感网络大气环境监测系统分析研究[J]. 资源节约与环保，2014（4）：81.

    [4] 龚军，肖杰，吕小毅，等. 基于ZigBee无线传感器网络的大气环境监测系统[J]. 无线互联科技，2014，12：72-73.

    [5] 高云，褚夫帅，刘杰. 基于农业物联网的环境监测系统[J]. 电脑知识与技，2015（17）：192-193.