霧霾濃度監(jiān)測與定位系統(tǒng)的研究與設計*

麻云鑫，王爾申，姚愛華，王 超，劉建勛，鄧 鎣

（沈陽航空航天大學電子信息工程學院，沈陽110136）

霧霾濃度監(jiān)測與定位系統(tǒng)的研究與設計*

麻云鑫，王爾申*，姚愛華，王 超，劉建勛，鄧 鎣

（沈陽航空航天大學電子信息工程學院，沈陽110136）

霧霾威脅著人體健康，對人們的生活影響越來越大。為了更好地對霧霾濃度進行實時監(jiān)測，研究設計了基于MSP430的霧霾濃度監(jiān)測與定位系統(tǒng)，利用GP2Y1010AU0F光學空氣質(zhì)量傳感器對霧霾濃度進行測量，利用GPS/BDS雙模定位模塊對霧霾位置進行定位，利用無線通信模塊將獲取的數(shù)據(jù)發(fā)送給相關(guān)監(jiān)測管理部門。研究了系統(tǒng)的軟硬件詳細設計，給出了實驗測試結(jié)果，結(jié)果表明：系統(tǒng)可以精確的監(jiān)測霧霾濃度和實時報告霧霾的位置信息等參數(shù)。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)；灰塵傳感器；霧霾監(jiān)測；無線通信模塊

伴隨著快速工業(yè)化和城鎮(zhèn)化，我國許多城市的環(huán)境空氣質(zhì)量都呈現(xiàn)出惡化趨勢，空氣重污染事件頻發(fā)，影響范圍越來越廣，包括北京在內(nèi)的我國多個城市都曾經(jīng)出現(xiàn)在世界10大空氣污染城市名單之中［1］，空氣中的PM2.5、PM10、PM0.1及其吸附的重金屬（如Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn等）粒子作為霧霾的重要組成部分［2］，對居民身體健康和社會經(jīng)濟的危害日趨顯著。受不利天氣和污染排放增加等多重因素的影響，包括北京在內(nèi)涉及我國中東部130多萬km2的嚴重霧霾污染事件，更是引起了全社會對大氣環(huán)境污染及其健康損害的空前關(guān)注。短期高濃度的空氣污染對人體健康影響嚴重，20世紀著名的世界公害事件如比利時馬斯河谷工業(yè)區(qū)4日內(nèi)SO2污染事件，美國賓夕法尼亞州多諾拉鎮(zhèn)1948年的SO2以及粉塵污染事件，40年代初美國洛杉磯光化學煙霧事件，1952年英國倫敦4日內(nèi)煙霧事件中，由于大氣污染物高濃度暴露水平，引起了不同程度的居民急性死亡、喉痛、咳嗽、呼吸困難等大氣污染性疾病、并致使更多人患上支氣管炎、冠心病、肺結(jié)核乃至癌癥［3］。

文中設計了一種霧霾濃度實時監(jiān)測與定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)對及時了解空氣質(zhì)量具有重要的意義。

1 系統(tǒng)總體設計

研究的系統(tǒng)主要完成對空氣中霧霾濃度的監(jiān)測以及所處位置信息的獲取。對整個系統(tǒng)的硬件進行模塊化設計，北斗模塊主要由UM220-III和MAX3232組成，UM220-III是BDS/GPS雙系統(tǒng)模塊，它具有出色的導航、定位、授時功能，主要完成導航信號的接收、定位數(shù)據(jù)的輸出等功能［4-5］；灰塵傳感器采用GP2Y1010AU0F，利用粉塵散射的光射入光接收元件進行轉(zhuǎn)換輸出電壓信號，通過數(shù)據(jù)處理將電壓值轉(zhuǎn)換為灰塵濃度值用于顯示；處理器選用MSP430單片機，該單片機具有低功耗等一系列特點，而且處理能力強、片內(nèi)資源豐富，滿足設計的需求。顯示模塊采用的是帶字庫的LCD12864，該模塊有靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可以顯示8行×4行16×16點陣的漢字，也可完成圖形顯示，最主要的特點是低電壓低功耗。當處理模塊完成數(shù)據(jù)處理后，可以采用串行或并行的方式進行顯示。系統(tǒng)硬件的組成原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件的組成原理

2 系統(tǒng)的詳細設計

2.1 UM220模塊

UM220模塊通過串口與處理模塊進行通信，首先由天線接收的射頻信號輸入至UM220的射頻輸入引腳，經(jīng)處理后由UM220的串口將數(shù)據(jù)送至處理模塊做進一步處理。UM220模塊的通信接口連接方式如圖2所示。圖2中UM220的一個串行端口與RS232 DB-9相連，因此用戶可以直接用串口線將該模塊與計算機連接，在模塊定位的情況下，打開串口助手并進行通訊設置即可接收到定位信息。UM220的另一個串行端口則直接與單片機的串行端口相連實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 UM220模塊通信接口連接方式

為了得到精度較高的定位信息，采用北斗/GPS雙模輸出的消息，即雙模最簡導航傳輸數(shù)據(jù)格式，該消息的格式為：

2.2 霧霾濃度測量模塊

測量霧霾濃度是本研究的核心功能，設計中采用的是夏普公司開發(fā)的一款光學灰塵濃度檢測傳感器。該傳感器內(nèi)部有成對角分布的紅外發(fā)光管和光電晶體管，利用光敏原理工作檢測特別細微的顆粒，如香煙顆粒、細微的灰塵顆粒。傳感器根據(jù)輸出脈沖的幅值的大小來判斷顆粒濃度的高低［6-7］。

灰塵傳感器與MSP430F149單片機的電路連接如圖3所示。電路中的電阻R2起到限流的作用，R2建議10 kΩ，R3和R4起分壓作用，分別為10 kΩ，R1、C1分別為150 Ω和220μF的電解電容，晶體管Q1可以增加3號腳的驅(qū)動能力，Q1建議為2SC1815（npn晶體管）。MSP430F149單片機的P1.2作為PWM脈沖的輸出管腳，為傳感器提供輸入信號，P6.5為單片機內(nèi)部ADC的5號模擬輸入管腳。

圖3 灰塵傳感器與MSP430F149單片機的電路接口

傳感器輸出接口方式有模擬端口和串口兩種方式，其中模擬端口輸出電壓值Vo，將其乘以系數(shù)K后可得到灰塵濃度值，單位為μg/m3。串口傳輸數(shù)據(jù)的波特率要求為2 400 bit/s，每10 ms發(fā)送一個字節(jié)，共7個字節(jié)，其中校驗位=Vout（H）+Vout（L）+ Vref（H）+Vref（L），發(fā)送數(shù)據(jù)的幀格式如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)幀格式

接收到的數(shù)據(jù)按公式計算后得到Vo值，Vo=(Vout(H)×256+Vout(L))/1 024×5，Vo的數(shù)值乘以系數(shù)K即可得到灰塵濃度值。傳感器輸出電壓與粉塵濃度的參考特性曲線如圖5所示，從圖中可知粉塵濃度為零時，輸出電壓并不為零，這是因為在沒有煙、灰塵的狀態(tài)下，輸出電壓有一個規(guī)定值，具體數(shù)值需查閱傳感器規(guī)格書中給出的電氣光學特性。本設計中煙、灰塵濃度為零時的輸出電壓值是0.9 V。此外，從圖中可看出傳感器的輸出電壓與濃度的關(guān)系在開始時是幾乎呈線性，而后出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點并且逐漸趨于平穩(wěn)，這是基于傳感器的光學特性，輸出電壓有一個范圍，所以即使是在粉塵濃度極高的情況下輸出電壓也將保持在最大值狀態(tài)，不再上升。

圖5 輸出電壓與粉塵濃度關(guān)系

霧霾濃度監(jiān)測的宗旨在于對人們的日?；顒犹峁┮粋€參考依據(jù)，在必要情況下采取相關(guān)措施做好自我保護。在世界衛(wèi)生組織2005年的《空氣質(zhì)量準則》中，PM2.5年均值為10μg/m3，日均值為25μg/m3。世界衛(wèi)生組織（WHO）認為，PM2.5小于10μg/m3是安全值，在中國50μg/m3就為1級，51μg/m3～100μg/m3為2級良好。中國的空氣質(zhì)量標準等級如表1所示。

表1 中國空氣質(zhì)量標準

2.3 無線通信模塊

設計中采用GSM/GPRS模塊是G610 GSM/GPRS模塊。其中，基帶信號處理器是G600通訊模塊的核心部分，它的作用相當于一個協(xié)議處理器，用來處理外部系統(tǒng)通過串口發(fā)送過來的AT指令。射頻部分主要實現(xiàn)信號的調(diào)制與解調(diào)，實現(xiàn)外部射頻信號與內(nèi)部基帶處理器之間的信號轉(zhuǎn)換。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件功能主要包括：串行通信，GPS/北斗模塊輸出數(shù)據(jù)接收處理，粉塵濃度獲取等。

3.1 定位信息的獲取

GPS/北斗模塊正常工作時能接收到8種不同類型的導航電文，設計中只用雙模最簡導航數(shù)據(jù)［8］，因此，事先配置GPS/北斗模塊，令其只輸出雙模最簡導航數(shù)據(jù)信息。接收并處理導航信息的流程為：首先初始化串口，當GPS/北斗模塊接收到信號時，串口產(chǎn)生中斷，而此時還需判斷是否是有效定位，若是有效的定位，將數(shù)據(jù)作進一步處理，而后返回繼續(xù)下一數(shù)據(jù)的接收，其程序流程如圖6所示。

圖6 GPS/BDS數(shù)據(jù)接收流程圖

3.2 灰塵濃度參數(shù)的獲取

灰塵傳感器內(nèi)部的紅外發(fā)光管和光電晶體管要有脈沖的驅(qū)動才能工作，脈沖的寬度根據(jù)規(guī)格書上推薦的范圍進行設定。在程序設計中，利用定時器A輸出PWM波，并輸入至灰塵傳感器，當傳感器穩(wěn)定以后，ADC對傳感器輸出電壓進行采樣。而采樣的時間則由定時器B設定，為了保證傳感器的讀值穩(wěn)定性，令ADC連續(xù)采樣4次，然后將數(shù)據(jù)取平均值，最后再將電壓值轉(zhuǎn)換為灰塵濃度值。算法的流程如圖7所示。

圖7 灰塵濃度參數(shù)獲取流程

3.3 測試結(jié)果與分析

（1）定位信息測試結(jié)果

本系統(tǒng)具有友好的人機交互界面，開機顯示“歡迎使用”字樣，當GPS/北斗模塊正在接收數(shù)據(jù)且無有效定位時顯示“正在接收”，否則，顯示“無定位信息”。天線的放置位置直接影響定位的性能，最好將天線放置在空曠位置。系統(tǒng)正常工作時，液晶上顯示設計要求的參數(shù)，即經(jīng)緯度、時間、濃度。

（2）灰塵濃度測試

對于灰塵傳感器，可利用煙霧和灰塵進行測試，通過示波器觀察輸出電平在時間上的變化對檢出對象的種別進行判別。因為香煙的煙霧是細微粒子，密度高，會擴散式的大范圍漂移。與此相比，灰塵是一個一個大顆粒，密度低，斷斷續(xù)續(xù)式的進入灰塵傳感器的檢出領(lǐng)域。香煙檢出的電壓波形如圖8所示。而灰塵則是間隔的表現(xiàn)出較高的輸出電壓，其檢出的電壓波形如圖9所示。

圖8 香煙檢出的電壓波形

圖9 灰塵檢出的電壓波形

綜上所述，在利用灰塵傳感器測灰塵濃度時，對于傳感器而言，需要提供5 V的工作電壓，其輸出電壓可能超過3.2 V，對應的ADC采樣設置的參考電壓為3.2 V，對于MSP430單片機是有相應的引腳作為輸入?yún)⒖茧妷骸?/p>

4 結(jié)論

文中研究了霧霾濃度監(jiān)測與定位系統(tǒng)的設計，對系統(tǒng)的硬件和軟件進行了詳細設計，并對系統(tǒng)進行了實驗測試。結(jié)果顯示：設計的系統(tǒng)實現(xiàn)了霧霾濃度監(jiān)測、定位和通信功能，系統(tǒng)具有設計簡單、功耗低、便攜式等優(yōu)點，具有較好的應用價值。

［1］張慶豐，羅伯特·克魯特斯.邁向環(huán)境可持續(xù)的未來——中華人民共和國國家環(huán)境分析［M］.北京：中國財政經(jīng)濟出版社，2012：45-48.

［2］劉玲.淮南市空氣懸浮顆粒特征及污染物的樹木監(jiān)測［D］.南京：南京林業(yè)大學，2013.

［3］宮克.世界八大公害事件與綠色GDP［J］.沈陽大學學報，2005，17（4）：3-6.

［4］劉俊池，李洪文，鄧永停.北斗/GPS接收系統(tǒng)的設計與應用［J］.電子測量技術(shù)，2013（11）：67-70.

［5］趙曉鳳，周璟瑜，王邦均，等.STM32控制下基于GPS與GPRS的軌跡跟蹤器［J］.電子器件，2015，38（1）：156-159.

［6］王嘯東.一種新型PM2.5檢測儀的設計［J］.電氣時代，2014（4）：82-84.

［7］蘭冰芯，諶海云，陳東，等.基于單片機的PM2.5測試儀的設計與實現(xiàn)［J］.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2014（11）：32-36.

［8］張亮紅，劉文怡，王紅亮.基于單片機的GPS定位系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］.電子器件，2015，38（5）：1187-1191.

麻云鑫（1992-），男，福建省漳平市，本科，主要從事電子系統(tǒng)設計、衛(wèi)星導航技術(shù)研究；

王爾申（1980-），男，遼寧遼陽人，博士，副教授，主要從事衛(wèi)星導航、GNSS信號處理算法研究，wanges_2016@126.com。

Multifunction System of Haze Concentration Monitoring and Positioning*

MA Yunxin，WANG Ershen*，YAO Aihua，WANG Chao，LIU Jianxun，DENG Ying
（School of Electronic and Information Engineering，Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136，China）

Haze is a threat to human's health，which has an increasingly profound effect.In order to constantly moni?tor the concentration of haze better，the system based on MSP430 was designed to monitor the concentrations of haze and to fix position of the haze.The GP2Y1010AU0F optical air quality sensor was used to measure the concen?tration of haze.The GPS/BDS dual-mode positioning module was used to fix the position of the haze，and the data ob?tained by wireless communication module was sent to the relevant monitoring and management department.Both hardware and software of the system were specifically described，and then the results of our tests were attained.The results show that the system can monitor the concentration of the haze accurately and can provide the position of the haze constantly.

BeiDou navigation satellite system；dust sensor；fog and haze monitoring；wireless communication module EEACC：7230L

10.3969/j.issn.1005-9490.2016.06.038

TP368.1；TN967.1

A

1005-9490（2016）06-1477-05

項目來源：沈陽航空航天大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（DX506301）

2015-12-29 修改日期：2016-02-01