基于移动端的空气质量检测系统的设计与研究

陈桢杰　袁勇威

【摘 要】随着社会工业化的进程，生活环境成为现代社会关注的焦点，近几年关于PM2.5等话题更是吸引人们的眼球。在一些诸如北京，唐山等大城市，雾霾问题已非常严峻，广受人们关注，各种大型空气质量检测系统建立，但雾霾问题还是不能有效解决。现在智能手机的普及率很高，基本每个人都能随时随地的通过手机看当地的天气情况，看是不是下雨，看温度是多少，当然，也能看空气质量的数值，有没有雾霾，但这些一般采集的都是网络数据，难以实时测量，我们不能看到具体的直观的内容，难以引起人们的重视。结合以上现状，将智能设备和嵌入式设备结合在一起，通过特殊的传感器来检测PM2.5等有害气体，在移动端给出相关的提示和警告，实现生存环境的智能检测，来设计并实现空气质量检测系统。

【关键字】Android；WiFi模块；移动端；PM2.5

中图分类号： TP311.52 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）25-0014-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.25.006

近年来，随着我国经济的飞速发展，工业生产也在快速增长。但是，经济发展的同时，一些负面影响也随之而来。比如，在石油化工等专业领域中，由于各种各样的原因，经常有毒气泄漏，气体爆炸等事件发生，人们的安全和国家的经济受到了极大的损失。在农村，一氧化碳中毒非常常见，一个成年人如果摄入超过50ppm就会中毒，程度轻的会头疼，恶心，严重的甚至会深度昏迷。

此外，雾霾现象极其普遍，其中危害最大的就是悬浮在空气中的灰尘烟雾等物质，也就是PM2.5，这些直径小于或等于2.5微米的可吸入颗粒如被吸入体内会对呼吸道进行感染，会造成呼吸困难，严重的甚至会引发死亡，这些微小颗粒只要来自于路面灰尘，燃烧秸秆，厂房垃圾以及汽车尾气等。

更重要的是人民普遍关注大气污染而忽略了室内的空气情况，而相关信息显示：室内的PM2.5指数可能比室外的更高，因为室内相对封闭且有各种装修物和烟气。

为了保护人民的身心健康，保障国家稳步发展，一种有效的空气质量检测系统已刻不容缓。

1 国内外研究现状

1.1 空气质量检测方法的发展

人民不想但不得不承认的是全球环境正在恶化，发达国家在上世纪七八十年代就开始研究空气质量检测，这四十年来逐渐发展和完善以及推广，现如今很多国家都能采用先进的空气质量检测系统对空气质量进行全天候检测。

一开始大家用“湿式检测”来检测空气质量指数，湿式检测可分为“库伦法”和“电导法”，都是用化学方法检测，这就带来了一系列的问题，很不方便，后来大家研究出来一种依靠光学原理的“干式检测”只要把东西长久放在空气下就行，操作维护都很简单。现如今，国外有两种非常先进的检测系统，差分光谱吸收仪系统和新型红外系统，差分光谱吸收仪系统可以检测多种气体，而新型红外系统可以对一种气体进行非常精准的检测。

差分吸收光谱法用于测量大气中的痕量气体浓度，即利用光线在大气中传输时各种气体分子在不同波段有不同差分吸收的特性来反演这些气体在大气中的浓度。

利用红外线进行气体分析，它基于待分析组分的浓度不同，吸收的辐射能不同，剩下的辐射能使得检测器里的温度升高不同，动片薄膜两边所受的压力不同，从而产生一个电容检测器的电信号，就可间接测量出待分析组分的浓度。

改革开放以来我国因为工业发展排放了大量废气，所以国内空气检测主要先在城市中，然后延伸到农村，主要先在室外，然后延伸到室内。

但是在一开始，我国研究空气质量刚起步时，因为国内没有自主研发的产品，全依赖进口，然而在管理上没有经验，检测数据很多都没有利用充分，检测标准也没有统一，导致大量数据变成无用数据，可谓吃尽苦头，现在我国有了两种空气检测方法，分别是长光程空气自动检测和干法空气自动检测。

1.2 空气质量检测系统的现状

从系统功能上说可分为检测室内，和检测室外的。

（1）有检测室内甲醛的。总所周知，刚装修的房子是不能住的，会有甲醛等有害物质散发出来，而且各地城市都很严重的PM2.5也会严重污染室内空气，随着人民健康意识的提升，这个系统方案也就应运而生，改系统使用以太网技术传输数据，用Yeelink网页技术对传感器采集的数据进行处理，并提供传感器云服务，用户在手机和电脑上都能进行设备管理和数据查询。[1]

（2）有检测教室环境的。教室中的温度，二氧化碳浓度，干湿程度会影响师生的健康状况和学习效率。该系统使用蓝牙进行数据传输，价格便宜，体积小，使用方便。[2]

（3）有检测道路汽车尾气程度的。城市规划建设中必不可少的是权衡汽车尾气污染，此系统就是为了定量统计汽车尾气，实时检测道路空气质量的变化。该系统通过多个无线检测节点采集数据，然后使用WiFi传输数据到中心服务器，这种城市化的系统具有广阔的市场。[3]

（4）有对整个城市空气质量进行检测的设计。因为检测空气质量的传感器不可能遍布整个城市，所以传统的方法就是人工取样分析法，但其实时性较差且易受人为影响，当然还可以从国外进口先进的环境检测站，但一来太贵，二来维护也不方便，所以也不适应中国国情，该设计中以车辆为载体，使用Raspberry Pi技术和GPS定位系统进行对环境空气质量的实时动态检测。[4]

（5）有对工业生产进行检测的。该系统基于ZigBee无线技术，网络容量大，可以容纳大量终端，可以大规模进行管理，可以同时测量多种气体。[5]

（6）還有一种基于订阅的设计。人们想要检测哪的空气质量，可以基于该系统订阅，支付一定的费用使其在该地安装传感器检测数据并推送到移动订阅终端，可以实现端到端的信息高度共享且部署简单灵活，可以方便一些个人和组织的需求。[6]

2 系统研究及设计

2.1 从系统性能上来说，一套空气质量检测系统分为3部分，即收集数据模块，传输数据模块，和分析显示模块。

（1）收集数据就是利用传感器通过光学或化学方法采集数据，市面上有多种不同种类的单片机可以使用如AT89S52单片机，51单片机，STC，STM系列等。

（2）传输数据涉及到系统架构，起到承上启下的作用，比较常见的就是串口，蓝牙，WiFi，ZigBee。

蓝牙体积小，价格便宜，当然传输距离也短，此外这种传输方式传输数据还很快，但经常有数据出错，而且耗电量也大，这种传输方式目前已非常普遍。

随着互联网的普及，现在基本到处都有WiFi，可以说是深入人心，这种方式传递数据很快，当然丢失的数据也很多，耗电量比蓝牙还多。WiFi模块有两种工作模式，AP模式和STA模式，AP模式下WiFi模块是无线网的中心，其他设备可以接入无线局域网；STA模式下WiFi模块是无线网的一个节点，即WiFi模块接入其他的无线网，相对于手机之类的事物，其数据可传至远程服务器上，所以它就支持两种工作模式，即单机模式和联网模式。[7]

ZigBee传输数据是通过多处协作的，它是通过组网进行通信，其传输数据速度一般，但是传输错误的很少，而且耗电量也少。无线路由器和监测终端可以自行找到与自己适配的网络ID并进入，很不错的一种方式。

还有一种必要的传输方式，每个手机都能使用流量，从2G到3G到4G，这是一种很厉害传输方式，它传输数据快，距离远，与之相对的是它丢失的数据多，耗电量大。

随着时代的发展，物联网渐渐进入人们的视野，智慧城市技术渐渐成熟，但这些传输方式都不适合，于是更适合的传输方式应运而生，即低功耗广域网络，它专门传递小型数据，传输距离远，而且功耗低，一塊电池可以用好几年，其中最著名的就是NB-lot和Lora，NB-lot有自己的专属跑道，而Lora虽然没有但其更灵敏，抗干扰性强，适合在企业专网工作。

（3）分析显示模块是最后的部分，与用户体验息息相关。该模块功能分为分析和显示。

分析即分析从传感器上传输来的数据，这些数据要经过处理才能更符合用户的需求。比如可以将检测到的数据制作成线性图表使其更直观。

有个对空气质量检测系统的设计就提出要对影响空气质量指数污染因子的历史浓度做出分析，从而求出将来污染指数的变化有，以能更好得指导人们的生活，其通过统计算法对采集的数据进行挖掘和分析并通过机器学习来进行预测，应该说可行性很高。[8]

显示是与用户交互的环节，也有多种方法。最简单的可以通过串口连接LCD灯直接将结果显示出来。

现如今基本人人随身携带一部手机，所以将手机囊括在空气质量检测体系中是有意义的，能使人民群众能随时方便地直观了解当前空气质量，对于人民的生活具有极其重要的意义。

所以显示最好与手机相结合。

现在几乎人人都能上网，手机电脑早已走进家家户户，app，微信，QQ等几乎人人在用，就有人设计了网页显示数据，Android app显示数据，微信公众号显示数据等方法，全方位满足用户的需求。

2.2 系统设计

现在人们可以通过手机从网上直接查询当地的空气质量，但这是空气质量检测系统检测的这片区域的空气质量，应用于某一点是还是有误差的，正如人们常常抱怨天气预报不准一样，这种空气质量检测也会不准，而且隔着手机传递出来的信息人们也不够重视。所以，如果能让人们直观的看到其所处的地方的空气质量，对于指导其生活是有重大意义的，如果有这么一种便携式的实时的基于移动端的空气质量检测系统，人们在抽烟时会惊讶地发现空气污染指数如此之高，在有大雾时发现空气污染指数比没有雾时高很多，在早晨时空气质量远低于晚上.......人们会对空气质量有一种更贴近生活，更直观的感受。

现在市面上有很多大型的空气质量检测系统可以系统的检测一块地方的空气质量，但是便携性不强，也有小型空气质量检测器，但是不能与手机进行有效结合，使得人们不方便使用，不愿意携带这么个“不顺手的东西”。所以我就想要设计一个能随身携带的，与手机相关联的小物件，可以随时提醒自己空气质量如何如何。

在硬件方面，使用 STM32开发板，用Arduino IDE进行编程，并使用PM2.5传感器。STM32单片机的工作频率最高可达到72MHZ，而且代码执行效率很高，使用单周期乘法器和硬件除法。嵌入式系统的开发使用Arduino IDE，该软件提供的开发调试工具使用简单且能满足大部分需求，代码编写效率很高。在传感器方面PM2.5效果很好，在线性度和灵敏度以及分辨率这方面较好，工作温度20-40摄氏度左右，具有较长的使用寿命和较好的工作稳定性。

软硬件间通信方面使用WiFi模块，在通信的距离上WiFi既可以通过AP模式单机近距离进行传输数据，也可以通过STA模式联网远距离进行通信，数据可传输至远程服务器上，即可以AP+STA工作。

底层硬件设备需要与移动端进行数据交换，在通讯协议方面自定义。该系统主要是空气质量数据的上传，即上行数据。数据交互时，底层硬件系统开启UDP server服务，客户端作为UDP Client连接硬件系统。数据格式由包头、数据区和校验字节组成，具体格式如下：

包头：2字节，固定为0X1E，0X1E；

数据区：2字节，显示PM2.5数据

校验字节：1字节

软件方面使用Android Studio进行编写，本系统Android客户端采用单机模式，手机和硬件一起组成了一个空气质量检测仪，手机可以对数据进行及时显示，数据无需存储，简单方便快捷。用户可以连接硬件端的无线来接受数据，通过设定阈值发出通知来提醒用户空气质量，硬件端可做成挂件随身携带。

初步设定客户端支持空气质量数据显示的功能，通过读取WIFI模块数据来实现实时数据的获取，客户端工作后就不断地与硬件系统的WIFI模块进行交互，交互的时间间隔设定为固定值。实时数据显示模块以数字的形式显示数据，客户端在接受数据后直接将数据送到数据显示线程，数字显示线程在接受到数据后刷新当前页面。客户端显示页面上方会有一个显示条显示出当前系统的工作状态，包括WIFI连接状态，系统时间等。WIFI正常连接到硬件端时，WIFI图标亮，否则图标为灰色。

3 结语

该基于Android的空气质量检测系统，主要包括借助Android开发平台Android Studio进行语言编程，硬件方面的嵌入式和空气质量传感器的调试和功能实现，以及软硬件间的联调，以实现空气质量监测及移动端显示报警。使空气质量传感器检测到周围环境中的空气质量数值，若周围环境空气污染严重，则数值超过一定限度，并利用数值超过阈值的时机进行下一项程序的编程；利用移动端的app接受数据，并发出警告。计划结合JAVA语言和Android语言共同进行编程，最终实现当环境周围空气质量危害人们的身体健康时自动发出报警声，以达到提醒人们远离，保护自身健康的目的。

【参考文献】

[1]卞晓晓，方为建，李凡. 基于Yeelink的遠程室内空气监测系统设计与开发[J].电脑编程技巧与维护，2015，（10）：26-27.

[2]彭坤，陈劲杰.基于蓝牙的教室环境监测系统设计[J].电子科技，2017，30（02）：123-125+129.

[3]张高敏，王飞飞，周志青. 基于WiFi的空气质量实时监测系统设计[J].现代电子技术，2016，39（08）：76-79.

[4]周洁，孟强，李阳冬，王瑾.基于Raspberry Pi的车载空气质量检测系统设计与实现[J].物联网技术，2015，5（06）：13-15.

[5]王霞，宋越.基于ZigBee的空气质量监测系统的研究设计[J].机械制造与自动化，2014，43（05）：142-145.

[6]凌杰，范文浩，高锦春，吴帆.基于订阅发布的空气质量监测系统的设计实现[J].软件，2016，37（12）：1-6.

[7]闫涛.基于物联网的空气质量监测系统设计与应用技术研究[D].山东大学，2016.

[8]刘赟.面向可穿戴设备的空气质量监测系统的设计与实现[J].现代电子技术，2016，39（01）：93-97.