江苏航运职业技术学院学报  2016年03期 50-53   出版日期：2016-09-25   ISSN:1006-6977   CN:61-1281/TN
城市空气质量智能监测节点的设计


随着经济的飞速发展和城镇化进程的加快, 城市空气质量日益下降, 以前人们不太关心的PM2.5等空气质 量指标, 近年来受到了居民们的广泛关注。治理雾霾、减少空气中PM2.5的指标, 是政府部门迫切需要解 决的问题。李克强总理在政府工作报告中也指出:“环境污染是民生之患、民心之痛, 要铁腕治理。”在 城市雾霾防控体系中, 如何监控大型工地的扬尘污染、监控重点工业企业的粉尘污染等是一个重要的难题 。本文研究设计的城市空气质量智能监测节点, 可以将需要监控位置的空气质量数据实时传送到监控中心 , 当某一地区的数据超过警戒值时, 由相关执法部门进行现场警告或责令整改, 从而抑制灰尘的产生, 提 高城市的空气质量。 1 整体设计方案 该城市空气质量智能监测节点是对各个城市中分散的重点防控区域粉尘颗粒浓度、温度、湿度进行实时远 程连续监控, 监测节点将实时采集的粉尘颗粒浓度、温度和湿度等数值通过GPRS无线传送方式传送到监测 中心的服务器监测软件上, 从而达到对城市各个地区空气质量实时监测的目的。[1,2] 监测节点的总体结构如图1所示, 监测节点的设计以STM32F103RBT6为核心, 以GPRS通信为数据传输方式, 不需要专用铺设电缆, 利用现有的移动通信网络服务商, 方便监测节点可以根据施工场所的变化来进行移 动监测, 提高了监测数据的实时性和有效性。[3] 图1 智能空气质量监测节点总体结构图 图1 智能空气质量监测节点总体结构图 下载原图 2 硬件电路设计 2.1 主控芯片 本项目采用的是意法半导体的STM32F407VGT6, 是一款32位的处理器, 它具有512KB-1MB的片内闪存、 192KB的SRAM、15个通信接口。STM32F407VGT6具有3×12-bit, 2.4MSPS A/D转换器, 具有I2C、SPI、CAN 等多种通信方式, 可以和多种通信类型的传感器相连。 STM32F407VGT6使用的电源是3.3V DC, 而传感器DSM501A使用的是5V电源。因此本项目中由两个电源构成, DC-DC的变换采用了LT1616这一个具有内部0.6A电源开关的电流模式PWM降压型DC/DC转换器, 电源电路设 计如图2所示。[4,5] 图2 电源电路 图2 电源电路 下载原图 2.2 数据采集单元 空气质量监测节点可以同时监测温度、湿度、气压和PM2.5的数值。通过多个参数的同时监测, 可以为科 研人员提供有效可靠的数据, 以便分析PM2.5与温度、湿度和气压之间的关系以及变化规律。 (1) PM2.5灰尘颗粒检测模块。本系统采用的是PM2.5灰尘颗粒传感器DSM501A对空气中PM2.5含量进行检测 , DSM501A采用光散射法进行颗粒物检测。光散射法的原理是将光照射在空气中, 遇到悬浮颗粒物时会产 生散射光, 在颗粒物的性质一定的条件下, 其散射光强度与颗粒物浓度成正比。DSM501A可以灵敏监测到 直径1微米以上的微小粒子, 并且内置气流发生器, 可以实现自动吸入空气, 采用PWM脉宽调制输出形式, 将PM2.5的浓度转化为脉冲。STM32通过检测脉冲量, 将其转化为数字量, 经过换算后得到当前PM2.5的浓 度值。 DSM501A引脚结构图如图3所示。3脚和5脚为5V直流电源引脚。2脚为普通输出引脚, 灵敏度已经预设定, 最小粒子检出能力为1μm。4脚为可调输出脚位, 灵敏度可通过控制脚来进行调整, 默设定认为Vout2的 2.5倍, 即最小粒子检出能力为2.5μm。1脚为控制脚, 通过此脚与GND间加一个电阻可调整Vout1的最小粒 子检出水平, 调整电阻值可调整Vout1的灵敏度。 图3 DSM501A传感器原理图 图3 DSM501A传感器原理图 下载原图 (2) 气压传感器。MS5611气压传感器是由MEAS推出的一个集合SPI和I2C总线接口的高分辨率气压传感器, 其分辨率可以达到10cm。MS5611传感器模块包括了一个高线性度的压力传感器和一个超低功耗的24位ΣAD 转换器, 可以提供一个24位数字压力值, 不需要在设备内部编程, 通信协议也比较简单, 可以与大多数的 微控制器相连接, 产品稳定性较好。[6]MS5611气压传感器原理如图4所示, VDD是电源电压, 一般为-0.3 -+4.0V大小。MS5611有两种类型的串行接口:SPI和I2C, 其通信接口选择如表1所示。 图4 MS5611气压传感器原理图 图4 MS5611气压传感器原理图 下载原图 表1 MS5611通信接口选择表 下载原表 表1 MS5611通信接口选择表 MS5611在本系统中采用SPI通信方式, 其电路图如图5所示。 图5 MS5611电路图 图5 MS5611电路图 下载原图 3 系统软件设计 3.1 系统主流程 基于STM32F407VGT6的城市空气质量智能监测节点系统软件主要包括以下几个部分:STM32与PM2.5灰尘颗粒 检测模块的数据通信, STM32通过MS5611对温度数据、气压数据的采集, STM32通过GPRS模块进行数据的远 程接受和发送等。[7,8]系统主流程图如图6所示。 图6 系统主流程图 图6 系统主流程图 下载原图 3.2 数据采集流程 本系统采集的数据主要是与环境相关的湿度、温度、压力和PM2.5数据, 其中温度和湿度的数据是通过数 字温湿度计DHT21采集, 压力数据是MS5611通过SPI通信方式传输给STM32F407VGT6, PM2.5数据则是通过 DSM501A为传感器的数据采集模块获得的。 STM32通过定时中断采样的方式进行数据采集。定时时间到后, 首先将系统中断关闭, 保证数据采样数据 值不再更改, STM32发送采集控制命令, 依次通过串口、SPI等通信方式将数据采集进来, 然后再将系统中 断打开, 返回到主程序, 流程如图7所示。 图7 子程序采集流程图 图7 子程序采集流程图 下载原图 3.3 二阶温度补偿 因为温度对气压有着比较大的影响, 因此气压传感器MS5611在使用时需要利用手册提供的补偿系数对气压 数值进行校正补偿, 这里采用二阶温度补偿方法。[9]如果温度不低于20℃, 则不要进行二阶温度补偿;若 低于20℃, 则需要计算低温下的温度补偿值。 4 测试试验结果 为了验证本系统测试数据与实际数据是否准确, 我们在中国空气质量监测国控点附近进行了24小时测试, 并将测试数据与国控点数据进行了比对。实际证明, 本系统的测试数据与国控点测试数据存在着一点偏差 , 但是在可控范围内, 监测数据对比如图8、9所示。 图8 温度24小时检测数据 图8 温度24小时检测数据 下载原图 图9 PM2.5浓度24小时监测数据 图9 PM2.5浓度24小时监测数据 下载原图 5 结束语 本文采用STM32F407VGT6和DSM501A等传感器设计了一个城市空气质量智能监测节点, 该节点能够流动监测 城市中重点监控区域的空气质量。经过测试, 该系统可以较好地完成空气质量相关信息的采集和传输, 测 试数据精度较好。空气质量智能监测节点的使用, 有助于城市管理部门及时掌握重点防控区域的空气质量 信息, 有助于提高城市空气质量, 具有较高的应用价值。