基于 WiFi 远程检测与传输 PM2.5 数值检测仪设计

引 言

近年来，我国多省份发生雾霾天气，北京、南京、重庆等城市雾霾污染情况尤为严重，持续的雾霾天气容易造成严重的交通事故，并为人们的日常学习、生活带来巨大的影响， 严重者甚至会影响身体健康 [1]。针对以上问题，目前研发的相关检测仪器包括 HANDHELA3016IAQ空气质量 PM2.5 检测仪、博华康生 PM2.5检测仪、博朗通空气检测仪、汉王霾表空气检测仪、贝立特测试仪器、MC 妙创多功能空气检测仪等，但通过对比以上空气检测仪器，发现多数产品价格偏高，交互数据远程可视化传输差，部分产品甚至需要生产厂商或者专业技术人员进行操作，导致普及性较差，无法满足用户需求 [2-5]。

1 总体设计

系统包括 MCU 处理器模块、电源模块、传感器、串口蓝牙模块、ESP8266 串口 WiFi 模块及 LCD1602 显示屏模块， 结构如图 1 所示。以单片机为主控，夏普光学粉尘传感器检测的数据通过串口传输给单片机，单片机处理后经 LCD1602 显示并通过 WiFi 将数据传输至手机 APP，由手机 APP 进行处理显示。

图 1 系统设计结构图

2 硬件设计

系统主要包括电源座模块、ESP8266 串口 WiFi 模块、LCD1602 显示屏模块、夏普光学粉尘传感器模块、串口蓝牙模块，设计的仪器实物如图 2 所示。将一个红外发光二极管和光电晶体管通过对角布置，以检测空气中的灰尘反射光，从而更好地使夏普光学粉尘传感器模块检测当前环境中PM2.5 的含量，传感器通过杜邦线与单片机相连，使单片机能够控制显示屏显示当前环境的 PM2.5 数值，同时将数值通过 ESP8266 串口 WiFi 模块传递到事先设计的用户 APP 上。

图 2 设计实物

2.1 WiFi模块的选取

ESP8266是 Ai-Thinker公司推出的一款无线 WiFi模块， 可与单片机通过串口通信， 利用 WiFi传输数据， 并通过UART接口由 Arduino发送 AT命令控制其功能 [6]。ESP8266 有两种工作模式，分别是 Station模式以及 AP模式，Station 模式用来连接无线路由器进行工作 ；AP模式则将 ESP8266 作为热点由手机连接（或无线路由器）进行工作。笔者采取AP模式实现远程传输功能。

2.2 传感器的选取

夏普光学粉尘传感器（GP2Y1014AU0F）检测极细颗粒的效果较好，如香烟烟雾等，它是常用的空气净化器系统。该传感器具有极低的电流消耗（最大 20mA），可搭载高达 DC7V的传感器。输出的模拟电压正比于所测得的粉尘浓度， 敏感性为 0.5V/0.1mg/m3。

2.3 电路

设计电路分为如下两部分 ：

(1) 用来检测外界 PM2.5 含量值的检测电路 ；

(2) 通过 WiFi传输数据给用户并将数值显示在数字型液晶显示屏的显示电路。

检测电路主要由电源插座、传感器、单片机构成，如图 3 所示。

3 软件设计

移动客户端的主要功能是显示来自单片机的实时数据 [7-10]。移动用户端的 APP 可用于实现远程监测，通过手机及仪器，用户可以采集各环境中的 PM2.5 数值而无需在场所安装固定设备来观察采集。手机 APP 页面可实时显示 PM2.5 数值的变化，使得仪器具有较高的实用价值。

客户端基于 Android 操作系统实现，通过搭建Eclipse 软件开发环境来实现用户对系统的界面功能。在 Android 平台搭建客户端 APP，为用户提供便捷的数据获取途径，不仅能够实现基于 WiFi 的实时数据采集，也可以为用户后期启停空气净化设备提供实时依据。

4 数据采集分析

仪器通过单片机技术，结合交互数据远程传输算法实现了数据的实时准确传输，将 PM2.5 浓度数据通过 WiFi 传输到手机 APP。通过对前端平台地址的设置，可以正确读入实时的 PM2.5 检测数值，达到实时监测的目的，系统相对比较简洁，能够满足用户实时监测的需求。采用自研仪器与市面应用较多的博朗公司的检测仪，分别采集了某日南京奥体监测站点的 PM2.5 数据，见表 1 所列。

通过相关调研得到当天南京奥体监测站点 PM2.5 数值为49 mg/m3，自研仪器平均误差为 2%，且在 49 mg/m3上下浮动。通过数据比对，发现自研仪器的测量更加准确，数值波动较小，同理仪器也可在其他场所进行检测。

5 结 语

笔者采取了一种通过以 STC89C52 单片机为控制核心、多种模块及手机 APP 结合来实现远程检测与传输 PM2.5 数值功能的检测仪器，仪器经调试后能够实现对 PM2.5 浓度的实时检测及数据传输，可灵活应用于各个领域和普通家庭用户。该仪器测量变化波动小，误差小，比较接近实际情况， 能够为检测日常环境中 PM2.5 的含量提供方便。本设计具有较强的数据远程可视化传输能力，制作成本低 ；监测仪除本身带液晶显示外，还可将所测参数送至智能手机等移动终端， 方便对数据进行存储、查询，显示方式可随界面设计和功能设计而变化，具有多样化、个性化等特征。