便携式空气质量检测系统设计

引 言

近几年，环境问题成为了社会的焦点话题。对大众而言， 空气质量[1] 更是每天关注的重点。大气污染所产生的PM2.5/ PM10颗粒物及厂房建设装修所产生的甲醛等有毒气体都会对人类的身体健康造成危害。因此对空气质量进行监测是治理空气污染、改善空气环境的有力手段。当前各地区天气预报以及App 软件都会对城市地区的空气质量进行播报，做到让用户心中有数。但考虑到身处环境的不同及各场所条件的多样性， 一款便携式空气质量检测系统无疑更方便有需求的用户使用。

本设计提出的空气质量检测系统，采用RaspberryPi[2] 作为嵌入式平台上位机，配合高精度传感器对空气参数进行测量，并将结果实时显示在LCD显示屏上供用户查看。平台内置 GPS模块，配合数据库，可将采集的数据配合时间、地点等信息一同存档，以备后续进一步分析使用。该系统小巧便携， 功耗较低，智能化程度高，便于后期系统维护以及功能扩展。

1 系统设计

1.1 硬件组成

本设计的上位机 Raspberry Pi 是一款小型的基于嵌入式平台的智能电脑，整体大小类似充电宝，但凭借强大的处理能力可以执行其他 PC 主机的基本功能。Raspberry Pi 的CPU 工作频率为 700 MHz，主板周围有 USB 接口及以太网接口、HDMI 接口，便于连接外部设备。同时在 Raspberry Pi 的主板上还有丰富的GPIO 口（General Purpose Input Output，GPIO）[3]，支持多种协议，方便用户与下位机及相关设备连接。正因为其体积小、功耗低以及性能强等一系列优点，此开发板在物联网和嵌入式开发中被广泛采用。本文选用B+ 版本，相比早期版本，此款内置了40 个 GPIO 口，增加的接口也为产品带来了更大的扩展空间。系统连接示意图如图1 所示。所有扩展设备均通过GPIO 口连接并使用。

根据设计需要，系统采用PMS5003 传感器模块对空气中的PM2.5/PM10 粉尘含量进行采集，一方面，PMS5003 传感器利用激光散射原理，颗粒物分辨精度可达 1 μg/m³ ；另一方面，其采集的数据可以直接通过串口发送，无需A/D 转换。系统采用SHT30-DIS 模块对温湿度进行采集。该传感器内含热敏电容，稳定性好，数据精度高，同时还可使用 I2C 协议进行数据通信。而对于甲醛、甲苯等 VOC 气体的检测则采用常见的CJMCU-1100 传感器。

为了实现直观的结果输出，并方便用户观察记录周边空气质量， 本设计采用LCD1602 作为显示输出设备。同时为了满足记录测量地点数据的需求，将 NEO-6M 定位模块作为GPS 模块一同集成到整体系统中。整套系统可以通过直连USB 充电器或充电宝启动运行。

1.2 软件设计

Raspberry Pi 支持多种操作系统，用户可以自行选择并安装。为了保证系统稳定易用，本设计在搭建软件环境伊始就选用了官方发布的定制系统 Raspbian[4]。此款系统基于Linux 核心，针对Raspberry Pi 开发定制，支持多种编程语言。本设计主要采用Python[5] 编程语言开发程序，以实现软件功能。同时为了满足空气质量检测装置实时记录数据的要求，配合选取SQLite[6] 数据库进行数据管理记录。SQLite 与其他常用数据库相比，资源占用较小，基本功能齐全，非常适合嵌入式系统做数据维护使用。

检测仪启动后，会初始化所连接的传感器模块、LCD 显示屏以及GPS 模块。在各模块正常启动并与上位机建立正常连接之后，系统便开始检测空气质量。系统工作流程如图 2 所示。

借助与 Raspberry Pi 连接的各检测传感器构成的检测电 路，实现对空气中相关参数的采集与处理，具体包括 PM2.5/ PM10 颗粒物含量、温湿度、甲醛含量等。经验证，若处理结 果正确，则系统会继续请求获取 GPS 定位信息，然后将之前 的相关空气质量数据通过显示屏以文字形式输出，以展示当 前环境下 PM2.5/PM10 颗粒物含量、温湿度参数以及甲醛气体含量，提示用户当前空气质量等级 ；若验证处理结果失败， 则回到初始化环节重新开始。系统成功采集数据后可将其上传至数据库。除了相关空气质量参数和 GPS定位信息外，时间戳和系统环境等相关数据都可以保存在数据库中。后期如果用户需要对采集的数据进行进一步统计和研究，可通过上位机获得。

2 结 语

本设计采用Raspberry Pi 作为嵌入式上位机，配合多重传感器实现了对空气质量的实时测量并输出显示，同时配合GPS 模块以及数据库将位置等相关信息进行整合保存。在实际测试中，本系统实测精度高，稳定性好，GPS 定位迅速、准确。测量结果对于研究和检测室内外空气环境质量具有重要的应用价值。