摘要：针对目前PM2.5检测器检测过于复杂、成本高、精度难以保证的缺点，提出一种基于无线通信模块的户用PM2.5检测器。该检测器由室内机与室外机2部分构成，通过RF1100SE模块实现室内外的通信。室内机与室外机均采用成本极低的STC单片机作为主控芯片，工作时室外机通过光敏粉尘传感器实现对户外PM2.5的检测，并将检测数据由无线模块发送到室内的接收模块，经单片机处理后由LED液晶显示屏显示实时数据和24小时的数据变化曲线，保证人们在室内能够准确获知室外的PM2.5数值，从而为人们对户外空气质量作短时预测，进而为指导人们的出行提供了方便。
关键词：PM2.5检测器；无线通信；室内机；室外机
PM2.5又称细颗粒物，是指环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5 μm的颗粒物。它能较长时间悬浮于空气中，其在空气中含量(浓度)越高，说明空气污染越严重，对人体健康和大气环境质量的影响也就越大，因为直径小于等于2.5 μm的颗粒物可直接进入人的肺部，对人体生理机能造成永久伤害。2012年联合国环境规划署公布的《全球环境展望5：我们未来想要的环境》[1]指出，每年有近200万的过早死亡病例与颗粒物污染有关。因此，PM2.5粉尘颗粒的即时检测和趋势预测，是有效防治PM2.5污染的前提和重要保障。
目前，PM2.5检测方法基本可以分为3种[2]：重量法、β射线吸收法和微量振荡天平法。其中重量法要求人工操作，自动化程度低、不能得到空气质量的实时情况；β射线吸收法相对成本较高；而微量振荡天平法不能分离直径超过2.5 μm的颗粒物，造成检测精度降低。
家用PM2.5检测器要求成本低，检测精度相对较高，可以简单方便的使用[3]，而以上方法都不适用于家用PM2.5检测器的要求，因此寻找适合于家庭使用的简单、精确的PM2.5检测器，用来指导人们的出行，已成为社会发展的需要。
经过大量研究，本文提出一种基于无线通信的家用PM2.5检测器。该检测器分为室内机与室外机2部分，采用RF1100SE[4]无线通信模块作为室内机与室外机的通信载体。室内机与室外机均采用成本极低的STC单片机[5]作为主控芯片，室外机采用夏普公司生产的专门检测直径小于2.5 μm烟尘的传感器GP2Y1010AU0F进行PM2.5的检测[6]。PM2.5经检测并经单片机处理后由LED液晶显示屏显示实时数据和24 h的数据变化曲线，为人们出行采取相关防雾霾措施提供了方便。
1 PM2.5检测器整体方案
24 h整点时刻的PM2.5数值。在时钟整点时刻，将数组中24 h前的数据舍弃，后面23个数据依次后移一位，即23 h前的数据放置到数组的第24个储存空间，1 h前的数据放置到数组的第2个储存空间，并将最新数据加入该数组的第1个储存空间，这24个数据在液晶屏上形成了过去24 h的PM2.5变化曲线，为人们对短时间内空气质量的预测提供了方便。
图1为检测器室外机与室内机元件之间的信号传递示意图。室外机每隔固定时间启动PM2.5检测模块1次，检测模块输出与空气质量对应的模拟型号，室外机中的单片机将该模拟信号转换为数字信号，单片机与无线通信模块1进行SPI通信，无线通信模块1将接收到的信号进行射频信号发送；室内机中，无线通信模块2射频接收芯片接收来自室外机的射频信号，经SPI通信由单片机2接收。与单片机2相关的外设有：液晶屏(显示PM2.5检测的数据，包括实时数据与24 h数据变化曲线)、时钟模块(保证显示精确的时间)、E2PROM(断电后储存重要数据)、按键(用来切换液晶显示器界面和进行时钟显示设置)。
图1 检测器室外机与室内机元件信号传递示意图
Fig.1 Sketch for information transmission of indoor part and outdoor part
表1 检测器所用器件型号
Table 1 The model of elements used in the detector
2 粉尘光敏传感器工作原理
检测器采用SHARP公司生产的GP2Y1010AU0F型传感器，该传感器内部结构如图2所示。GP2Y1010AU0F传感器一共有6个端子，第1、2端子为光敏二极管电路的电源端与地电位端；第6、4端子为信号输出电路的电源端与地电位端；第3端子为光敏二极管工作控制端。当第3端子为高电平时，光敏二极管不工作；当第3端子为低电平时，光敏二极管开始工作，检测通气孔中的微尘，信号电路接收来自微尘的反射光线信号，经放大电路放大，由第5端子输出与微尘浓度相当的模拟信号。
图2 粉尘光敏传感器结构示意图
Fig.2 The structure sketch of the dust light- sensor
传感器的第3端信号即光敏二极管工作控制信号ULED与第5端传感器输出信号UO之间的相位关系如图3所示。GP2Y1010AU0F传感器的输入信号与输出信号都为脉冲信号，典型的脉冲周期为10 ms。根据光敏粉尘传感器的要求，光敏二极管信号放大电路必须在0.28 ms后输出信号才进入稳定状态，因此信号ULED低电平的时间必须大于0.28 ms，本系统选取0.32 ms，即在ULED信号由高电平变为低电平0.28 ms后，开始进行A/D转换，得到的数据量与微尘浓度相当。
图3 粉尘光敏传感器输入、输出信号关系图
Fig.3 The input and output signal waveforms of the sensor
3 无线通信模块工作原理
无线通信模块RF1100SE使用TI-Chipcon公司的CC1101芯片开发而成。RF1100SE单片无线收发器工作在433/868/915 MHz的ISM(Industrial Scientific Medical)频段，由1个完全集成的频率调制器、1个带解调器的接收器、1个功率放大器、1个晶体振荡器和1个调节器组成。其工作特点是自动产生前导码 和CRC(Cyclical Redundancy Check)，可以很容易通过SPI(Serial Peripheral Interface)接口进行编程配置，电流消耗低。
RF1100SE模块共有10个引脚，其引脚的功能说明如表2所示。
表2 RF1100SE引脚说明
Table 2 The Pinout of the RF1100SE module
4 软件设计与实验结果
检测器室外机与室内机的程序流程如图4所示。室外机的主要任务是单片机A/D端口将来自检测传感器的模拟信号，转换成数字信号后经SPI通信传递至无线模块1中的数字芯片，经射频芯片进行无线传送(根据PM2.5检测传感器的特性，单片机的普通I/O接口每隔2 s启动1次检测)。室内机的主要功能包括由无线通信模块2接收无线通信模块1每隔2 s发送1次的数据，经SPI通信传送给单片机，单片机将数据解码后通过LED液晶屏显示该数据，即实时的PM2.5值。为了显示过去24 h PM2.5的变化曲线，在单片机上设一个24个数据的数组，依次存储过去
a 室外机
b 室内机
图4 室内机与室外机程序流程图
Fig.4 Program flow chart for indoor part and outdoor part
基于无线通信模块的家用PM2.5检测器元件间信号传递如图1所示，室内机与室外机使用的各种器件型号见表1。该检测器工作原理如下：
表3所示为液晶屏显示2015年6月1 日盐城工学院新校区8点至16点共计8小时的PM2.5数据，根据气象台的当日数据，可以看出本文设计的PM2.5检测器数据基本符合网报数据变化趋势，其精度也较高。
图5给出了PM2.5检测器的样机照片。从图5和表3可以看出，PM2.5的检测数据较为准确，采用较低的成本实现较高的检测精度。
表3 PM2.5监测数据
Table 3 The monitoring data of the proposed detector
5 结论
本文提出了一种基于无线通信的户用PM2.5检测器。检测器采用室外机检测、室内机显示的方案保证了室外PM2.5检测的准确性。PM2.5检测传感器采用粉尘光敏传感器，极大地降低了传统检测方法的复杂性与高成本；无线发送、接收
模块采用简单的SPI通信即可实现与单片机之间的信息互通，控制方案简单。样机结果表明，本文所提方案简单、可靠，所选元件成本低，精度高，具有较大的应用价值。
图5 基于无线通信模块的PM2.5检测器
Fig.5 PM 2.5 detector based on wireless communication module
