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[摘 要]文章介绍了一种新型雾霾检测系统的设计思路、设计原理、结构组成以及技术指标和应用前景等。作为大学生创新计划成果，该实验装置也是对AVR单片机的实例应用，学生可应用该实例提高对单片机的应用能力和编程能力。
[关键词]雾霾；分布式；粉尘传感器；AVR单片机
中图分类号：TP303；G 624.0 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）07-0019-01
引言
雾霾，是雾与霾的合成词。雾是由大量悬浮在近地面空气中的微小水滴或冰晶组成的气溶胶系统。霾由空气中的灰尘、硫酸、硝酸、有机碳氢化合物等粒子组成。
面对我国日益严重的雾霾天气，能够快速、准确且便捷地测量雾霾浓度显得十分重要，也是我们防范雾霾的前提和基础。因此，我们设计了一种新型分布式雾霾检测系统，该系统可以快速、准确且便捷地测量局部区域内的雾霾浓度。
本文将介绍我们设计的雾霾检测系统的基本设计思路，设计原理，组成成分以及相关参数。本检测器可用于日常的家庭室内空气质量监测，环境监测部门的雾霾监测执法，实验室或面粉厂等生产车间的环境检测等。
1 雾霾检测系统设计原理
雾霾检测系统包含两个部分，即测量装置和计算机接收显示装置。所谓分布式设计是通过多个测量装置进行多点测量，并对同一终端进行数据传输，从而实现对区域的监测。该方式可有效解决市售雾霾检测设备只能单点测量无法同时顾及区域的弊端，也解决了气象台公布的数据由固定监测点得出无法准确反映本区域情况的瓶颈。
1.1 测量装置
利用粉尘传感器（光散射法）测量空气中的悬浮颗粒物浓度并输出浓度值。同时，温湿度传感器测量环境的温度湿度数据并输出。工作时，传感器进行连续采样，由单片机控制其I/O接口，每隔0.5s选择输入采样数据。输出的空气悬浮颗粒物浓度数据、温度数据和湿度数据通过ATmega16微处理器处理，再由NRF24L01+无线模块发射信号。即装置由AVR单片机（ATmega16）、粉尘传感器、温湿度传感器、NRF24L01+无线传输模块、PCB板等组成。
1.2 计算机接收显示装置
通过NRF24L01+无线传输模块接收测量装置中无线传输模块发出的数据，经AVR单片机（ATmega16）通过串口向计算机输入数据，并通过串口调试助手在计算机显示数据。为避免偶然误差，每五组数据列进行一次处理，即剔除一个最高值和一个最低值后再取其平均值，最后得到的数据输出显示。同时，我们通过一款自制APP（金和IUAPP工厂免费生成）发布数据，用户可直接在手机上查看到相关数据。
2 雾霾检测系统结构组成
雾霾检测仪系统结构组成如图1、2所示。
3 测量装置
3.1 微处理器
微处理器采用AVR单片机（ATmega16），进行数据采集、计算、数据处理和输出。（ ATmega16：32个8位通用寄存器；32个通用I/O口线；16K字节可编程Flash；512字节EEPROM；1字节SRAM； 三个具有比较模式的计时器/计数器（T/C）； 片/内外中断；可编程串行USART；工作电压 4.5-5.5V；速度等级0-16MHz；40引脚PDIP封装。）
3.2 粉尘传感器
Grove - Dust Sensor 粉尘传感器可以通过在给定的单位时间内，计算罗脉冲占用时间（LPO时间）来测量空气中的颗粒物水平。即利用光散射法测量粒子浓度。该传感器集成A/D转换器，特性曲线较为理想，可以提供可靠的粉尘数据。该传感器可测量直径1 um以上的粒子，即使是香烟也能被测量。5V电压供电，负相位且数字输出。其特点是较为精确，设计小巧，便于携带，价格较低。
受制于成本原因，该传感器散射法检测原理在实际测量中有误差存在，且其饱和值（500ug/cm3）也会在重雾霾天气下产生所谓的爆表情况。
3.3 温湿度传感器
经考虑成本、性能、稳定性等因素，我们选用SHT11数字温湿度传感器，该传感器由瑞士SENSIRION公司生产。
SHT11数字温湿度传感器将传感元件和信号处理电路集成在一块微型电路板上，输出完全标定的数字信号，表贴LCC封装。传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片上，与14 位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。因此，该产品具有响应迅速、抗干扰能力强、性价比高等优点。
SHT11与微处理器连接，是通过ATmega16上的两个I/O口来分别与传感器的SCK引脚和DATA引脚相连，来实现数据的交换。
3.4 NRF24L01+无线传输模块
NRF24L01+无线传输模块是一款工作在2.4～2.5GHz 世界通用ISM 频段的单片无线收发器芯片。它是NRF24L01的改进型号，内部增添了PA（功率放大器）和LNA（低噪声放大器），在空旷区域传输距离可达2km。它负责将测量数据传输到接收端的同类型传感器。
4 计算机接收显示装置
4.1 微处理器
同样使用AVR单片机（ATmega16），微处理器通过串口与计算机连接，并传输数据至计算机，通过串口调试助手完成数据保存和显示。
4.2 NRF24L01+无线传输模块
这里用NRF24L01+无线传输模块接收数据，并通过I/O口与微处理器进行数据传输。
4.3 APP数据发布
使用金和IU推出的免费APP生成软件生成“雾霾预报”手机应用，操作者在计算机实时向下载软件的用户发布某地区粉尘浓度、相对湿度和温度数据。
5 技术指标
雾霾检测系统的主要技术指标如表1、2、3所示。
6 结束语
本雾霾检测系统是一种设计简单、小巧实用而且成本较低的仪器，为测量环境的雾霾浓度而设计，该系统也适合实验室、工厂和环境部门使用，并且远程的APP数据也可以使使用者在任何时间和地点知道测量区域的情况。例如，面粉厂就可以利用该系统对厂区的各个区域进行分布式实时测量，防止意外事故的发生。消防部门也可利用该系统对森林、仓库等区域进行有效监控，可随时了解是否有火情发生，等等。由于该系统设计简洁，成本较低，适用于大面积的应用，也拥有广阔的市场前景。
参考文献
[1] 王啸东.一种新型PM2.5检测仪的设计[J].电气时代.2014，第4期：82-84.
[2] 杨书申.大气颗粒物浓度检测技术及其发展[J]. 北京工业职业技术学院学报.2005，第1期：36-39.
[3] 李天华等.光散射式鸡舍粉尘检测技术的研究[J].中国农机化学报. 2014，第35卷（1）：186-187
作者简介：张昕昱（1994—），男，本科，大连理工大学光信息科学与技术专业在读学生；
通讯作者简介：王晓娜（1981-），女，高级工程师，于大连理工大学获博士学位，主攻光电检测、光纤传感器、生物光子学等。
致谢：文章为大连理工大学大学生创新创业训练计划项目成果
[关键词]雾霾；分布式；粉尘传感器；AVR单片机
中图分类号：TP303；G 624.0 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）07-0019-01
引言
雾霾，是雾与霾的合成词。雾是由大量悬浮在近地面空气中的微小水滴或冰晶组成的气溶胶系统。霾由空气中的灰尘、硫酸、硝酸、有机碳氢化合物等粒子组成。
面对我国日益严重的雾霾天气，能够快速、准确且便捷地测量雾霾浓度显得十分重要，也是我们防范雾霾的前提和基础。因此，我们设计了一种新型分布式雾霾检测系统，该系统可以快速、准确且便捷地测量局部区域内的雾霾浓度。
本文将介绍我们设计的雾霾检测系统的基本设计思路，设计原理，组成成分以及相关参数。本检测器可用于日常的家庭室内空气质量监测，环境监测部门的雾霾监测执法，实验室或面粉厂等生产车间的环境检测等。
1 雾霾检测系统设计原理
雾霾检测系统包含两个部分，即测量装置和计算机接收显示装置。所谓分布式设计是通过多个测量装置进行多点测量，并对同一终端进行数据传输，从而实现对区域的监测。该方式可有效解决市售雾霾检测设备只能单点测量无法同时顾及区域的弊端，也解决了气象台公布的数据由固定监测点得出无法准确反映本区域情况的瓶颈。
1.1 测量装置
利用粉尘传感器（光散射法）测量空气中的悬浮颗粒物浓度并输出浓度值。同时，温湿度传感器测量环境的温度湿度数据并输出。工作时，传感器进行连续采样，由单片机控制其I/O接口，每隔0.5s选择输入采样数据。输出的空气悬浮颗粒物浓度数据、温度数据和湿度数据通过ATmega16微处理器处理，再由NRF24L01+无线模块发射信号。即装置由AVR单片机（ATmega16）、粉尘传感器、温湿度传感器、NRF24L01+无线传输模块、PCB板等组成。
1.2 计算机接收显示装置
通过NRF24L01+无线传输模块接收测量装置中无线传输模块发出的数据，经AVR单片机（ATmega16）通过串口向计算机输入数据，并通过串口调试助手在计算机显示数据。为避免偶然误差，每五组数据列进行一次处理，即剔除一个最高值和一个最低值后再取其平均值，最后得到的数据输出显示。同时，我们通过一款自制APP（金和IUAPP工厂免费生成）发布数据，用户可直接在手机上查看到相关数据。
2 雾霾检测系统结构组成
雾霾检测仪系统结构组成如图1、2所示。
3 测量装置
3.1 微处理器
微处理器采用AVR单片机（ATmega16），进行数据采集、计算、数据处理和输出。（ ATmega16：32个8位通用寄存器；32个通用I/O口线；16K字节可编程Flash；512字节EEPROM；1字节SRAM； 三个具有比较模式的计时器/计数器（T/C）； 片/内外中断；可编程串行USART；工作电压 4.5-5.5V；速度等级0-16MHz；40引脚PDIP封装。）
3.2 粉尘传感器
Grove - Dust Sensor 粉尘传感器可以通过在给定的单位时间内，计算罗脉冲占用时间（LPO时间）来测量空气中的颗粒物水平。即利用光散射法测量粒子浓度。该传感器集成A/D转换器，特性曲线较为理想，可以提供可靠的粉尘数据。该传感器可测量直径1 um以上的粒子，即使是香烟也能被测量。5V电压供电，负相位且数字输出。其特点是较为精确，设计小巧，便于携带，价格较低。
受制于成本原因，该传感器散射法检测原理在实际测量中有误差存在，且其饱和值（500ug/cm3）也会在重雾霾天气下产生所谓的爆表情况。
3.3 温湿度传感器
经考虑成本、性能、稳定性等因素，我们选用SHT11数字温湿度传感器，该传感器由瑞士SENSIRION公司生产。
SHT11数字温湿度传感器将传感元件和信号处理电路集成在一块微型电路板上，输出完全标定的数字信号，表贴LCC封装。传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片上，与14 位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。因此，该产品具有响应迅速、抗干扰能力强、性价比高等优点。
SHT11与微处理器连接，是通过ATmega16上的两个I/O口来分别与传感器的SCK引脚和DATA引脚相连，来实现数据的交换。
3.4 NRF24L01+无线传输模块
NRF24L01+无线传输模块是一款工作在2.4～2.5GHz 世界通用ISM 频段的单片无线收发器芯片。它是NRF24L01的改进型号，内部增添了PA（功率放大器）和LNA（低噪声放大器），在空旷区域传输距离可达2km。它负责将测量数据传输到接收端的同类型传感器。
4 计算机接收显示装置
4.1 微处理器
同样使用AVR单片机（ATmega16），微处理器通过串口与计算机连接，并传输数据至计算机，通过串口调试助手完成数据保存和显示。
4.2 NRF24L01+无线传输模块
这里用NRF24L01+无线传输模块接收数据，并通过I/O口与微处理器进行数据传输。
4.3 APP数据发布
使用金和IU推出的免费APP生成软件生成“雾霾预报”手机应用，操作者在计算机实时向下载软件的用户发布某地区粉尘浓度、相对湿度和温度数据。
5 技术指标
雾霾检测系统的主要技术指标如表1、2、3所示。
6 结束语
本雾霾检测系统是一种设计简单、小巧实用而且成本较低的仪器，为测量环境的雾霾浓度而设计，该系统也适合实验室、工厂和环境部门使用，并且远程的APP数据也可以使使用者在任何时间和地点知道测量区域的情况。例如，面粉厂就可以利用该系统对厂区的各个区域进行分布式实时测量，防止意外事故的发生。消防部门也可利用该系统对森林、仓库等区域进行有效监控，可随时了解是否有火情发生，等等。由于该系统设计简洁，成本较低，适用于大面积的应用，也拥有广阔的市场前景。
参考文献
[1] 王啸东.一种新型PM2.5检测仪的设计[J].电气时代.2014，第4期：82-84.
[2] 杨书申.大气颗粒物浓度检测技术及其发展[J]. 北京工业职业技术学院学报.2005，第1期：36-39.
[3] 李天华等.光散射式鸡舍粉尘检测技术的研究[J].中国农机化学报. 2014，第35卷（1）：186-187
作者简介：张昕昱（1994—），男，本科，大连理工大学光信息科学与技术专业在读学生；
通讯作者简介：王晓娜（1981-），女，高级工程师，于大连理工大学获博士学位，主攻光电检测、光纤传感器、生物光子学等。
致谢：文章为大连理工大学大学生创新创业训练计划项目成果