1、PM2.5 实 时检 测 与 多 重感 知 系 统 设计 曲爱玲 梁秋 艳 王亚 军 马 长路 刘红梅 北 京 农业 职 业学 院 佳 木斯 大学 机 械工 程 学院 内蒙 古 化 工职 业 学院 摘 要： 基于ARM 处理器, 利用 PM2.5 激光传感器、实时时钟芯片, 设计了集语音播报、 液晶屏实时显示、 空气质量等级 LED 灯警戒 3 种感知功能于一体的PM2.5 实时检 测与多重感知系统, 该系统可以实时检测当前环境的 PM2.5 浓度, 并具有电子 时钟功能, 可满足社会不同领 域及各类群体对 PM2.5 浓度检测的需求。 实验结果 证明, 该系统可以实时检测 PM2.5 浓度,
2、 并具有精确度高、适于推广普及等优 点。 关键词 ： ARM; PM2.5; 实时时钟; 语音播报; 液晶屏显示; LED 灯警戒; 作 者简 介： 曲爱玲 (1978) , 女, 黑龙江佳木斯人, 硕士, 讲师, 工程师。 研 究方向: 物联网技术应用。 基 金：2016 年度北京 农业职业学院科研基金项目 (XY-YF-16-40) Design of PM2.5 real-time detection and multiple perceptual system QU Ai-ling LIANG Qiu-yan WANG Ya-jun MA Chang-lu LIU Hong-mei B
3、eijing Vocational College of Agriculture; College of Mechanical Engineering, Jiamusi University; Inner Mongolia Vocational College of Chemical Engineering; Abstract ： Based on ARM technology, using PM2.5 laser sensor and RTC chip, designed a system with PM2.5 real-time detection and real time clock
4、and voice broadcast and LCD real-time display and air quality levels LED lights alert functions. The system can meet the needs of a variety of fields and all kinds of groups. The results show that the system can real-time detect PM2.5 concentrations, and has the advantages of high precision and suit
5、able for promotion etc. Keyword ： ARM; PM2.5; RTC; voice broadcast; LCD display; LED lights alert; 随着我国经济化进程的急速推进, 近年以北京等地为首的我国大部分城市中, 雾霾成为环境治理的重中之重1-9。雾霾即 PM2.5 颗粒的主要来源为自然和人 为。自然界的火山爆发、沙尘暴以及森林火灾等自然灾害均产生大量的 PM2.5 颗粒。PM2.5 颗粒人为来源的两个途径是固定源和流动源, 发电、 冶金等工业化 学过程排放的烟尘视为固定源, 日常生活中一些使用燃料的交通工具排放的尾 气视为流动源10-1
6、1 。PM2.5 颗粒严重影响人们的生活与健康, 吸入过多的 PM2.5 颗粒可诱发肺癌等多种疾病。PM2.5 颗粒的自然来源是无法避免的, PM2.5 颗粒的人为来源可以有效控制或避免, 自然环境治理、工业化气体安全合理排 放、 减少城市汽车尾气排放等是治理 PM2.5 污染的关键。 PM2.5 浓度的实时检测, 采取有效的防雾霾措施, 可以减少PM2.5 颗粒对人类健康的威胁。 1 系统整体实现构架 本文设计的PM2.5 实时检测与多重感知系统主要包括 ARM 处理器单元、PM2.5 传 感器单元、 电子时钟单元、 液 晶屏显示单元、 语音实时播报单元、 外部事件触发 单元、 空气质量级别
7、 LED 灯警戒单元。 实现看、 听、 警戒三重感知 PM2.5 浓度的 方法, 满足社会听力缺陷、 视觉障碍等不同弱势群体的需要, 加强对社会弱势群 体的关注。系统整体功能框图如图 1 所示。 系统对PM2.5、PM10 浓度进行实时检测, 利用实时时钟单元进行实时时间同步, PM2.5 、PM10 浓度值和实时时间通过液晶屏进行实时显示, 也可以通过外部触发 事件单元的按键进行触发语音实时播报当前环境 PM2.5、 PM10 浓度值和实时时间, 当PM2.5 浓度超过 200g/m 时, 系统红色 LED 灯进行空气质量重度污染警戒。 图1 系统整体组成框图 下载原图 2 系统硬件设计 2
8、.1 ARM 处 理器单 元硬件 设计 ARM 主控单元采用兼容 Cortex-M3 和Thumb-2 指令集的LM3S9B96 芯片, Thumb-2 技术具有16 位和32 位 指令并存的优势, 达到代码密度和性能的最佳平衡, 为低 成本的嵌入式微控制器应用带来了 32 位的高性能计算能力, 其内核具有高性 能、 低功耗、 低成本三 方面显著特点, 还具有出色的计算性能和优越的系 统中断 响应能力12。LM3S9B96 芯片的高性能主要体现在如下特性: 1) 高速度:CPU 运行速度高达 80-MHz; 2) 片上内存:256 KB 单周期Flash 存储器, 速 度高达50 MHz;96
9、 KB 单 周期SRAM; 3) 丰富的外设资源:具有片外设备接口 (EPI) , 支持IEEE 1588 PTP 的集成MAC 和PHY 的 10/100 以太网, CAN 2.0 A/B 控制 器两路, USB 2.0 OTG/Host/Device, 支持Ir DA 和ISO 7816 的UART 三路, IC 模块 两路, 同步串行接口模块 (SSI) 两 路, 内部集成电路音频 (IS) 接口模块, 采样率1000k 次/秒的10 位 模数转换器 (ADC) 2 个, 模拟输入通道 16 个, 模拟比较器 3 个, 数字比较器16 个, 片上电 压稳压器, 用于电机和能源应用的高级P
10、WM 输出8 路, 用于低延时的紧急停机的 fault 输入 4 个, 正交编码输入 (QEI) 2 个等;丰富的外设, 为嵌入式产品硬件 设计提供了方便的硬件接口, 便于系统集成; 4) 系统集成:直接存储器访问控 制器 (DMA) , 16-MHz 的片上精密振荡器, 具有 实时时钟能力的32 位定时器4 个 (可用作 8 个16 位) , 捕获/比较/PWM 管脚 (CCP) 8 个, 看门狗定时器 2 个, GPIO 口多达 65 个。 ARM 处理器单元硬件设计主要由电源电路、 时钟电路、 复位电路、JTAG 仿真接口 和SDRAM 单元组成, LM3S9B96 处理器单元硬件原理框
11、图如图 2 所示。 图2 ARM 主控单元硬件原理框图 下载原图 2.2 PM2.5 传感 器单 元硬 件设 计 PM2.5 传 感器采用激光散射原理13, 即令激光照射在空气中的悬浮颗粒物上 产生散射, 同时在某一特定角度收集散射光, 得到散射光强随时间变化的曲线。 进而微处理器利用基于米氏 (MIE) 理论的算法, 得出颗粒物的等效粒径及单位体积内不同粒径的颗粒物数量。 此 PM2.5 传感器型号为 PMS70XX 系列, 用于获得 单位体积内空气中悬浮颗粒物个数, 即颗粒物浓度, 并以数字接口形式输出。 该 PM2.5 传感器可同时检测 PM2.5 浓度和PM10 浓度。PM2.5 传感
12、器与 LM3S9B96 芯 片的串口UART0 进行硬件连接, 实现LM3S9B96 芯片与PM2.5 传感器间的数据通 信。PM2.5 传感器的工作电压为+5V。其硬件连接如 图3 所示。 图3 LM3S9B96 与PM2.5 传感器硬件连接原理图 下载原图 2.3 实时 时钟单 元硬 件设 计 采用超高精度IC 电子时钟 (RTC) 芯片DS3232M, 带有236 字节电池备份 SRAM。 DS3232M 芯片集成了电池输入, 当DS3232M 芯片主电源断电时可保持精确计时。 RTC 提供秒、分、时、星期、日期、月和年信息, 自带闰年修正功能;且通过高 精度、经过温度补偿的电压基准和比
13、较器电路来监测 VCC 状态, 检测电源故障, 提供复位输出, 并在必要时自动切换到备份电源14。 利用LM3S9B96 芯片的IC 串行总线1 与DS3232M 实时时钟芯片的串行数据接口实现硬件连接, 利用电源监 控芯片MAX708, 监视 DS3232M 实时时钟芯片的电源供电, 并实现系统供电电源 与内部电池供电的电路切换, 保证DS3232M 实时时钟芯片不掉电工作。 其硬件电 路如 图 4 所示。 图4 实时时钟电路原理图 下载原图 2.4 语音 实时播 报单 元硬 件设 计 语音实时播报单元采用 XFS5152CE 芯片。XFS5152CE 是科大讯飞公司生产的一款 高集成度的语
14、音合成芯片, 可实现中文、英文语音合成;集成了语音编码、 解码 功能, 可支持用户进行录音和播放;创新性地集成了轻量级的语音识别功能, 支 持30 个命令词的识别, 并且支持用户的命令词定制需求。为方便用户进行硬件 开发, XFS5152CE 芯片提供 SPI、IC、UART 3 种硬件接口方式。 LM3S9B96 芯片通过串口 UART1 对语音芯片进行控制15, 其硬件连接如 图5 所 示。 2.5 液晶 屏显示 单 元 硬件 设计 TFT 液晶屏单元作为 PM2.5 检测仪的 图5 LM3S9B96 与XFS5152 语音模块硬件连接原理图 下载原图 显示设备, 实时进行信息显示。此单元
15、采用一个 3.5 寸、320240 像素、26 万 色、 支持触摸功能TFT 液晶屏, 利用LM3S9B96 的GPIO 引脚对TFT 液晶屏进行 硬 件控制。 2.6 外部 事件触 发单 元硬 件设 计 外部事件触发单元利用外部按键实现, 外部按键按下, 产生低电平, 外部事件 触发语音播报单元进行PM2.5 浓度和实时时钟的播报, LM3S9B96 的GPIO 引脚PJ7 对按键中断 进行检测。 2.7 空气 质量级 别 LED 灯警 戒单 元硬 件设 计 空气质量级别LED 灯用于警戒当前空气质量, 空气质量级别LED 灯警戒单元主要 包括红、 黄、 绿三色 LED 灯, 当空气质量级别
16、为优时 LED 绿色灯点亮, 当空气质 量级别为轻度污染时, LED 黄色灯点亮, 当空气质量级别为重度污染时, LED 红 色灯点亮。由LM3S9B96 的GPIO 口PF3、PF2 和PF1 分别对红、黄、绿三色 LED 灯的状态 进行控制。 3 系 统软件实现 软件程序开发在各硬件单元的硬件调试成功基础上进行, 程序开发的编译软件 环境选用KEIL4, 软件程序编写语言选用C 语言, 为缩短程序开发的周期, 软件 程序编写时利用了Cortex M3 系列芯片的API 函数库16, 为程序编写提供了快 捷。 系统软件程序编写完成后, 进行系统软硬件联调, 直至系统功能实现。 系统 软件实现
17、流程图如 图 6 所示。 4 实验结果 2016 年12 月31 日, 北 京遭遇雾霾跨年来袭, 多地空气质量跌至严重污染水平。 利用本文设计的PM2.5 检测系统对当日雾霾进行了实时监测 (监测地点:北京市 房山区北京农业职业学院) , 并将测试结果与 2345 天气预报网上官方 公布的北 京房山空气质量PM2.5 检测值进行了对比, 如表1 所示。 图6 系统软件实现流程图 下载原图 通过实验数据得出, 本文设计的PM2.5 检测系统PM2.5 测量误差在-5% 至+5%之间, PM2.5 监测地点不同是误差产生的主要因素。 实验证明, 该检测系统具有很高的 检测精度, 实时性良好。 表1
18、 PM2.5 浓度对比表 下载原表 5 结束语 文中设计的PM2.5 实时监测与多重感知系 统, 可以实时检测环境的 PM2.5、PM10 浓度值, 实时时钟精确, 并集液晶屏显示、一键语音播报、空气质量级别 LED 灯警戒三重感知功能于一体, 适用于不同群体。该 PM2.5 检测系统具有 PM2.5、 PM10 检测精度高、性价比高、工作稳定可靠等优点, 具有很高的实用价值和 推 广价值。 参考文献 1 王建荣, 邱选兵, 等.基于物联网的大气环境 PM2.5 实时监测系统J.河南 师范大学学报:自然科学版, 2015, 43 (6) :40-45. 2 王啸东.一种新型 PM2.5 检测仪
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