方彦清
摘 要：车辆的PM2.5排放检测方法众多，本系统选择了SDS011传感器作为PM2.5主要的检测工具。其采用激光散射的原理对直径0.3～10μm的颗粒物浓度进行检测，数据精准，性能稳定。选择了STM32F103RCT6作为PM2.5检测系统的核心。采用了GPRS作为无线传输模块，完成车辆排放无线监测系统的设计。
关键词：PM2.5 车辆排放 无线监测
中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）09（b）-0116-02
大气颗粒物会威胁到人类的健康，对人体产生各种不良影响。不仅如此，它还会影响大气的气候、降水的多少及成分。而大气颗粒物又是气溶胶的组成部分，组成气溶胶的还有空气等混合物。颗粒物本质上是以固体或液体的微观形式存在，通常悬浮在空气中。据相关调查，当人类和动物长期处在高浓度PM2.5的环境下，会产生一系列不良反应乃至各种疾病，例如：呼吸系统相关疾病、心血管相关疾病、出生缺陷、过早死亡等。
1 系统整体设计
PM2.5检测方法众多，本系统选择了SDS011传感器作为PM2.5主要的检测工具。其采用激光散射的原理对直径0.3～10μm的颗粒物浓度进行检测，数据精准，性能稳定。选择了STM32F103RCT6作为PM2.5检测系统的核心。STM32系列为以ARM Cortex-M3为内核的满足高性能、低功耗、低成本的SOC，它是嵌入式开发的绝佳选择之一。采用了NRF24L01作为无线传输模块，其传输速度快，丢包率低，拥有CRC校验和自动重发功能，准确率高。以上是硬件部分的设计，对于软件部分，采用了MFC设计的UI程序，能够实时显示出PM2.5和PM10的数值，并根据国家制定的《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》（HJ633-2012）计算AQI指数，通过AQI指数对空气质量进行评价分级，以标准色进行显示。最终成果包含PM2.5硬件检测系统和上位机软件两部分。
2 硬件系统设计
2.1 系统框图
系统核心采用STM32F103RCT6。PM2.5传感器通过导线连接到STM32的USART3引脚上，而STM32通过USART中断将PM2.5和PM10的数据包接收并校验，经过计算得到真正的数据，然后将数据通过TFT屏进行实时显示，方便观测人员在室外进行实时的数据观测。与此同时GPRS将PM数值实时传送到上位机。硬件系统的电源由7.2V镍氢电池组外通过自主设计并焊接的5V稳压电路提供。
2.2 PM2.5传感器电路设计
本系统使用的SDS011PM2.5传感器采用了光散射测量法：利用了光的散射原理，当光线照射到颗粒物会向四周发生散射，收集散射相关的参数，例如：空间中散射的光强分布、空间中散射的光能分布、散射光发生的偏振与透射的光照强度比入射光的光强衰减多少等数据。这些数据都与PM2.5的直径相关，可以作为测量PM2.5的依据。因为利用光的散射进行测量，速度快，实时性好，自動化程度高，因此适于用作PM2.5的测量方法，本课题使用的就是这种方法。
光散射的方法并不是直接测量PM2.5的浓度，而是采用间接的观测方法，即光被散射后的光照强度，颗粒物散射光的光照强度与它的质量浓度是正比例的关系。也就是说，可以利用测量到的散射光强度，再带入到公式当中，结合转换系数就能够计算出PM2.5的浓度了。这种方法通常需要PM2.5的检测仪器有风扇或者空气泵等类似的装置，因为它要求空气必须是流动的。光散射法可靠性高，自动化程度也比较高。
SDS011共有7个引脚，分别是：NC：作为备用的控制引脚；1μm：通过PWM波输出大于0.3μm的颗粒物浓度；25μm：通过PWM波输出大于2.5μm的颗粒物浓度；5V：SDS011的电源，标准5V输入；GND：SDS011的地引脚；RXD：传感器的串口接收引脚；TXD：传感器的串口发送引脚。这些引脚都通过导线与各种类型的MCU串口相连接，进行PM2.5和PM10数据的传送输出。
SDS011会通过串口发送10个字节的数据包。其中包含：AA（报文头）、C0（指令号）、PM2.5低字节、PM2.5高字节、PM10低字节、PM10高字节、传感器ID、传感器ID2、校验和、报文尾。也就是说它并不能直接传送我们需要的PM2.5和PM10数据，需要进行校验，并取出十六进制的PM数值的4个字节。再通过计算才能够得到真正的PM数值。SDS011的数据手册提供的计算公式：
PM2.5值=（（PM2.5高字节×256）+PM2.5低字节）/10
PM10值=（（PM10高字节×256）+PM10低字节）/10
在硬件上将PM2.5传感器SDS011与STM32的USART3相连接。软件上用中断函数来处理SDS011传来的数据包，这样会节约CPU资源，而不是每时每刻都通过轮询来检测是否接收到了数据包。在中断函数中主要做了数据包的报文头校验、接收数据，并且当需要的数据（PM2.5和PM10的4个字节的数据）接收完毕后，置标志位。
在USART3的中断函数中首先是进行判断：是否真的产生了中断。在确定产生了中断之后，对接收到的数据进行判断，是否是报文头（0xAA 0xC0），如果是报文头，则之前定义的全局累加变量head自动加一，当检测完两个字节的报文头后开始接收PM2.5和PM10共4个字节的数据，并存储在定义的全局数组u3rxbuf中，这里，如果USART3接收到的不是报文头，那么head变量会清零。这里是对接收到的数据包进行校验。当head等于2，开始存储数据，end变量也开始累加，end变量的作用是每当接收一个字节就自动加一，当接受完4个字节后，将全局变量start置一，head和end清零，便于接收下一个数据包，同时将USART3中断关闭。
3 软件系统设计
MFC上位机通过串口编程实现对PM2.5和PM10数据的接收和处理，并实时显示在UI界面上。上位机为用户提供了COM口与波特率的选择界面，方便打开对应的COM口进行数据传输。同时，根据我国颁布的空气质量新标准《环境空气质量标准》（GB3095-2012）计算AQI（空气质量指数）并显示。与此同时，依据AQI对空气质量进行分级，严格按照国家规定的空气质量指数级别和空气质量指数类别及表示颜色对空气质量进行相应的显示。其中，含有6个等级：一级：优，颜色为绿色；二级：良，颜色为黄色；三级：轻度污染，颜色为橙色；四级：中度污染，颜色为红色；五级：重度污染，颜色为紫色；六级：严重污染，颜色为褐红色。MFC上位机方便工作人员在室内，了解户外的实时PM数值、AQI和空气质量等级，由此做出相应的应对措施。
4 结语
本论文结合我国目前PM2.5防治的现状，设计并最终实现了PM2.5污染物监测分析系统。本论文完成了硬件系统的设计。其中包括PM2.5传感器、TFT屏、2.4G无线传输模块NRF24L01+的驱动编写与硬件连接。对硬件系统的核心STM32F103RCT6进行下位机编程，构造了下位机的PM2.5检测系统。能够将PM2.5传感器检测到的PM2.5和PM10实时显示在TFT屏上，与此同时通过GPRS传送给上位机设备。
参考文献
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