yy.vip易游-空气质量检测装置的研制docx

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　　最近十几年来，经济、科技都在不断的飞速发展，人民生活质量也在不断的提高，然而环境问题越来越突出了，成为了全球性的一个挑战。对于空气质量问题，成为了一个家喻户晓的线这些本为鲜有人知的名词，现在却频频出现在各大媒体网络，吸引了人们关注。与此同时，各国政府管理层也建立了各种各样的环境监测站，用来去检测空气的质量，然而这些检测仪器较多是昂贵、永久、大型安装的科学检测仪器，它们数量不仅比较少而且安装位置太过于固定。比如，在整个吉林市的监测点不到10个。这导致了人们不能科学的去理解他们日常生活中所经历的污染程度，并且不同的监测点检测数据有很大偏差，在室内尤为明显。

　　针对这一显著的问题，本文设计一种空气质量检测装置，用于检测室内的相关空气质量参数。本文所设计的装置主要涉及物联网技术，Wi-Fi无线传输技术，所涉及的相关器件有ESP-8266核心控制板，夏普高精度粉尘传感器以及DHT11数字温湿度传感器，并且采用TCP/IP的MQTT通讯协议进行数据的传输。本装置所涉及的材料具有低成本，小巧实用，较高的检测精度，布置灵活便捷等优势。

　　基于本设计的试验表明：本设计的空气质量检测装置，具有如下功能；能够对室内环境中PM2.5浓度的进行实时采集，并储存在装置中，依靠互联网进行上传到阿里云中，在阿里云的云端形成可视化的图表信息，手机相关电子设备也可依靠互联网进行当前检测装置的数据的实时查询。本设计在气象监测领域和智能传感器网络方面，能够发挥重要作用。

　　如今，空气质量逐渐受到了全球新闻的关注，环境的污染，引起了许多问题，不仅对大气进行了污染，还对身体健康有一定的危害等。随着能源产业的发展，导致化石燃料的大量燃烧，商业建筑中施工的扬尘和城市道路粉尘的产生，空气中漂浮的颗粒物浓度越来越高，出现了能见度降低、大气污染、出现大范围的雾霾情况。与此同时受到严重污染的空气带来了许多公共健康的问题，在世界一些发达国家城市中，所产生的空气污染情况十分严重，对于一些严重污染的城市，已经远远超过了当地政府和世界卫生组织所允许的范围，在我国，目前有74个城市正在进行空气质量的监测，然而在这其中，仅仅只有3个城市的污染程度在所允许的范围之内[1]。受到严重污染的空气将会对身体造成严重的危害，主要涉及身体呼吸系统相关的器官，更为严重的会提高心脏病、中风、肺癌、和慢性支气管炎等致命疾病的风险，对于患有呼吸道疾病或者心脏病的人，暴露在受污染的空气下，更容易受到影响[2]。现如今，被大众所认可的健康风险有四类，其中之一就是空气污染。据统计，在2013年，每10例死亡中就有1例死于空气污染[3]。

　　目前，所使用的工业型空气质量检测装置价格都比较昂贵、体型庞大、安装得用科学严谨的方法进行，维护和管理都需要专业的人士，工业上安装时，样本数量比较少，而且只能永久的安装在固定的位置，无法移动。对于政府管理部门，通常放置在城市的中心位置和交通主干道沿线。由于我国对空气质量检测装置的研究不够广泛，加之检测装置的样本数量较少，少量的数据具有一定的局限性，无法得到比较严谨和具体的结论。在我国，由于经济发展不平衡，导致城市的发展水平和人口分布无法平衡等因素，从而使用于检测空气质量的检查点往往分布在我国发展的东部沿海地区。与此同时，官方发布的数据具有一定的延迟，数据首先是由每一个检测点进行测量后，再交送给环境检测中心，由市、省再到全国的过程，收集之后，再对其进行检查与汇总，导致采集与发布之间至少有24小时的延迟，对于这种数据处理方式，用户无法去知道实时空气质量，也就不能够减少或避免恶劣“看不见”的空气质量条件所带来的风险[4,5]。

　　城市大气污染物的主要指标为粉尘、总悬浮颗粒物、可吸入颗粒物（PM10）、细颗粒物（PM2.5）的浓度。空气污染程度的一个指标就是空气质量，空气中的污染物浓度可以直接来决定空气污染程度。能够悬浮在空气中的固态和液态颗粒物称为总悬浮颗粒物，这类颗粒物的直径范围约0.1-100μm。毕晓萍女士[6]从气象和医学角度分析得出，对于大气中粒径大于10μm的颗粒物不会直接被人类的呼吸道组织所吸收，所以不会对人的身体造成严重影响。其中，粒径在10μm以下的颗粒物称为可吸入颗粒物（PM10），当它被吸入人体后，会在呼吸系统进行吸附，随着时间的推移，会引起许多疾病，但人体可以通过唾液等方法将绝大多数粉尘排出体外，事实上对人体的影响并不是特别大。空气中的细颗粒物包含细粒、细颗粒、以及PM2.5，细颗粒物指环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5μm的颗粒物[7]，对于这类颗粒物，如果粒径达到一定程度，就能够到达呼吸道较深的部位，PM2.5最深的时候能够达到支气管，影响所吸入的气体在肺部之间的转换，同时PM2.5能够在空气中悬浮很长一段时间，它的悬浮范围也相对比较宽广，因此对人体健康和大气环境质量的影响更大[8]，所以人们对于环境中PM2.5含量的检测越来越重视。

　　为了增强空气质量检测装置所采集数据的可视性，能够使大众群体尽可能早地发现环境污染的程度，从而让大众群体能够减少和避免PM2.5带来的健康风险，基于本次设计，将采用低成本、易于部署的传感器，并采用物联网技术，围绕室内空气质量检测而开展。

　　在研究过程中在考虑分子平均自由程的基础上，提出了一种新的通道分类方法，考虑了单相流动和两相流动中的表面张力效应。介绍了两种新的分类类型：(1)过渡型微通道和纳米通道；(2)分子型纳米通道。微通道中的单相性能与传统的努森数低于0.001的通道相似。但是，需要仔细考虑壁面粗糙度的影响，因为当通道尺寸与粗糙度特征相当时，相对粗糙度可能会变得非常大。

　　随着世界各国的研究与发展，国内与国外的粉尘浓度检测装置已经是样式繁多了，对于不同空气质量检测装置，有着不同的测量原理、测量方法和浓度表示方式。但在整体的分布于格局上，可以分为两大类：其中一类为取样法，也就是说通过颗粒物采样装置把待测样本空气中的颗粒物汇集到滤膜上，系统再采用不同的检测方法测量滤膜上颗粒物质量，计算出颗粒物质量与空气体积的比值，这一类方法称为取样法；而相反的则是非采样法，即不需要对PM2.5颗粒物进行直接的检测，而是通过与其相互影响的参数间接进行判断颗粒物的浓度，其中电信号检测就是一种可以间接的方法。β射线法、重量法、微量振荡天平法都是取样法，而非采样法有压电晶体法、光散射法。

　　（1-1）（1）重量自动检测法[9,10]，颗粒物检测装置采取固定的速度抽取不变体积的样本空气，并使所采集的一定体积的空气通过具有切割特性的采样器，待测空气中的PM2.5颗粒物将会留在滤膜上，根据滤膜上通过采样空气前后的重量差值，从而计算出PM2.5

　　这类PM2.5浓度检测方法为常见的传统的方法，同时会检测过程中操作要求较高，如果在任何环节上出现问题，都会导致不正确的测量结果的出现。对于这类传统的检测方法，具有原理简单，不受颗粒大小、形状影响的一系列优点。当然其中缺点就是操作繁琐，采样周期长，不能实时进行反馈。

　　（2）β射线]，空气检测装置首先将待测的空气样本吸入采样管道中，空气样本中的PM2.5颗粒物就会被滤膜所吸附，当发射出的β射线在穿过滤膜时，由于受到颗粒物影响会出现散射，射线与颗粒物发生碰撞时，射线将会衰减，根据它的衰减程度进行对PM2.5颗粒物浓度的确定，PM2.5浓度与β射线衰减程度为正比关系：

　　式中：S是滤膜上有效采样面积，I0和I分别是穿过滤膜前后β射线的强度，Q是采样空气的流量，t

　　本类方法中，待测样本空气中一般的水分程度较高，会对滤膜和样本质量产生一定的影响，导致测量结果出现误差。为了避免或者减少水分的影响，通常是在采样管中增加动态加热系统，从而让待测空气样本中的保湿度低于35%。β射线检测颗粒物浓度的方法具有技术易懂、不需专业的维护，易于实现实时对PM2.5浓度的检测，同时也不会被颗粒物大小、形状、颜色影响的优点。当然它的缺点就是对颗粒物浓度的检测没有较高的准确性，精度不是特别高，十分容易受到空气样本中其他参数的影响。

　　（1-3）（3）微量振荡天平法[13]，本方法检测装置主要由采样头、切割器、滤芯三大部分组成。所述采样头，即为一个空心锥形玻璃管，把粗头一端固定，将滤芯装在细头一端。待测空气样本首先需经粗头进入，再从细头流出，细头的滤膜将会截留在空气样本中的PM2.5。由于电场力的影响，在细头端将会产生振荡，所产生的振荡频率与样本质量为反比关系，由此系统可以通过振荡频率计算采集样本的PM

　　式中：K0是包含质量转换系数在内的弹性常数，f1是结束频率，f0是初始频率，根据所述公式，只要我们能够对细头的初始和结束频率进行测量就可以以此检测出采样膜上的质量变化。当然，所述这类检测方法也是十分容易受空气中水分影响，如果待测空气样本中的空气湿度超过80%，就会对空心锥的振荡频率产生及其严重的影响，导致测量结果出现误差。对于这类检测方法，也需要和射线检测方法类似，增加动态加热系统，把待测样本空气中的水分气化。针对本方法，其优点是测量精度高，同时还可以对

　　（4）光散射法主要依托光浊度原理[14]。对于此类检测方法，需要所特定的传感器，整体由LED收、发光束巢及透镜组成，首先检测装置会将待测样本空气吸收到检测通道中，接着传感器内部的LED会发射一道光束，另一端则由晶体管对样本空气中PM2.5颗粒物发生光散射散射的光进行吸收，如果样本空气中的PM2.5颗粒物越浑浊，光发生散射的能力越强，检测装置可以根据光强的散射能力的强弱来决定待测空气中PM2.5颗粒物的浓度。这种方法也有一定的缺点，由于颗粒物的一些性质。如化学组成、形状、比重、粒径分布都是在不断变化的，不能够具体化，导致光散射和PM2.5颗粒物浓度之间换算公式也在不断变化，采用光散射的传感器对颗粒物浓度的检测无法准确地对颗粒物浓度进行定量计算，只能大致的对其定性测量。

　　根据上述四种常被使用的PM2.5检测方法，得到这几类方法的特性对比优缺点如表1-1所示。

　　在通过对上述四种PM2.5检测方法进行对比后，本设计的空气质量检测装置采用光散射方式进行检测。对于另外的三种检测方法，占用空间大，整体装置庞大，不能做到灵活的安装，并且这三类方法很难做到在线实时检测。所选的光散射法原理的PM2.5传感器在精度上稍逊于其他三种检测装置，但整体传感器的研究与发展都在进步，光散射法的PM2.5传感器检测速度快、技术成熟、性能强悍，所需空间小、易于安装、不需要专业人员进行专门管理和维护、成本低等优势，广泛应用于公共场所等小范围PM2.5浓度测量。

　　由于PM2.5的越来越受到大众的重视，对人们的健康影响是无形当中的，人们对于空气质量检测装置这方面的需求也在不断的提高，然而在检测领域中存在着样式各异的空气质量检测仪，它们的性能、功能、价格都参差不齐，而且多多少少存在问题[15~18]。在一些正式检测的领域中，颗粒物检测装置拥有精度高，性能良好等特点，然而这类检测装置整体体积太为笨重，只能固定安装，需要特别人员维护，价格昂贵；在大众生活领域中，所需求的检测仪器没有繁多的功能，仅能就地显示，无法进行互联网连接。对于严格意义上的室内PM2.5检测仪，不仅需要适合办公楼、校园、工业园区等众多区域，而且还应该能够拥有精度高，可以持续稳定的运行，能够灵活的与互联网相连，能够查询历史数据，成本较低的特点。

　　基于本文所设计的装置，所需的主体技术为嵌入式技术和物联网技术，所采用的核心主控板为内嵌Wi-FiSoC的ESP-8266。基于本文所设计的空气质量检测装置能够灵活的运用于办公区域、学区、工业园区等区域室内的检测。通过将所学习的四种检测方法进行择优筛选后，最终本文所设计检测装置采用传感器进行对颗粒物的检测，所述传感器为散射原理，具有测量范围广、采样周期短等特点，并通过在软件和硬件的合理设计与优化后，能够明显的降低检测结果的误差。由于主控板的灵活性，能够实现对当前环境的颗粒物浓度进行实时检测，并连接互联网，通过网络接入阿里云物联网，形成一个完备的检测系统。本文所述颗粒物检测装置能够运用于企事业单位、校园科研机构等方向的室内实时检测，使其对室内的空气质量能够有一个可视化的认识，从而可以更加合理的管理一些室内通风系统，从而使新风机、空气净化器等电器设备更加智能化。

　　3. 研究学习使用联网技术，并能够将所采集的数据存储于数据平台中，实现空气质量检测装置的实时监控；

　　4. 进行整体系统的硬件设计，其中有对传感器的选择，电源、采集、数据传输发送等模块的设计；

　　5. 进行检测装置的软件设计，其中包括对整体数据的发送、上传、储存以及能够在后台实现对数据的可视化展示；

　　6. 系统软件与硬件的互联、实验。主要针对检测装置能够正常稳定的运行、数据处理前后数据是否发生偏移、功率损耗的大小、无线传输系统是否畅通。

　　众所周知，光是由光子所组成，当物质的表面受到光照时，被照射的物质将会吸收一部分光照的能量，导致本应正常的光照中的光子的传播方向发生一定的偏移，它的相位也会发生改变，严重的光子会出现频率的二次辐射。从而使最初未受到光照的方向也能检测到部分光强，这就是光的散射。由于光所在的介质不同，其散射光强的分布也就有所差别，针对这一理论，包含了Rayleigh散射和Mie散射等[18,19]。

　　如果入射到物质的入射光的波长相对于所在介质的粒子直径的数倍，则称这种散射为Rayleigh散射。图2-1明显的展示了如果散射光的强度在所传播的正向与反向上都是相差不大的，而在其垂直的方向上，散射光的强度确较低。这理论有两个特点：散射光强反比于入射波长的四次方；散射光强正比于颗粒物浓度。

　　当颗粒物的直径增长到入射波的十分之一左右，此时Rayleigh理论就不能用于验证此时的散射现象，因为还继续使用此方法，检测结果会出现严重的误差。由于出现这种问题，G.Mie在1908年的时候提出了能够更能全面解释这种特别而又复杂散射现象的Mie理论。如果发生这类Mie散射时，散射光的强度在各个方向上都有所不同，散射光强在前向较为集中，且粒子越大，光强越强，如图2-2所示

　　事实上，系统的Mie理论比较庞大，包括所有尺度的粒子。对于不同粒径的粒子，为了去更为真实的建立散射模型，Mie主要围绕反射、折射、衍射的原理，其本质是对麦克斯韦方程的精确解，对于不同折射率且不同尺度的粒子，Mie公式都能够给出一一对应的散射特性，特别较大粒径的颗粒物：如果粒子尺度相对于波长逐渐增大时，颗粒物发生的光散射的特征完全与Mie理论相吻合；当粒径大于波长的10%时，认为粒子发生的光散射时Mie散射[20]。

　　Mie散射理论主要有下4条特性：首先散射光的角度发生变化时，其光强的分布也就会变得较为复杂，如果入射光的波长过于太小，甚至低于颗粒物的粒径太多，散射光的光强分布将会变得十分不均匀；当散射光的波长远小于颗粒物粒径（λ?D）时，主要发生Fraunhofer衍射现象；当（λ≈D且λ＜

　　（2-5）式（2-4）表示了：如果射光光强I0、波长λ的值不发生改变，颗粒物粒径d

　　（2-6）（2-7）当λ≤D时，散射光光强主要在存在于40°~60°的角度范围内，正常而言，光电二极管吸收散射光都只能在固定的某一角度，即

　　根据上述公式可以明显的知道散射光的光强和颗粒物质量浓度W的关系为线性的。同时采Mie散射理论，可以推到得出相关结论：只要入射光的波长不发生变化、光强固定、颗粒物组成不发生改变时，散射光光强和颗粒物浓度之的关系将会为线性的。因此对于本文所述的颗粒物检测装置如果想采用散射光的方式计算样本空气中的颗粒物浓度，只需要检测某一固定角度、位置不变的散射光强即可。

　　由于空气中还存在其他成分，其中大部分都会对空气中PM2.5的浓度产生一定的影响，在这些成分中，温度和相对湿度的含量对空气中的PM2.5的影响尤为明显，因为在空气中的PM2.5颗粒物会吸附一些水分，与此同时，温度对相对湿度会产生一定的干扰，导致测量结果不够精确。温度对测量结果的影响呈现阶梯型，所在空气的温度越高，则产生的影响会越大，只有当温度处于28℃以上时，相对湿度低于35%时，对颗粒物检测的测量结果才不会有太大影响；但如果想对湿度较高，超过60％时，测量的结果会明显的不正确。根据景宽等人研究发现[21]，相对湿度对测量结果的影响程度如图2-3所示。

　　（2-8）在检测这一领域，出现这类问题比较常见，没有任何检测是单纯的线性关系，自变量相互之间存在着不同的线性关系。正是由于这些自变量间不同的线性关系，十分明显的干扰着对PM2.5浓度的检测，导致了测量误差的出现，整体系统的稳定性也受到了严重的影响。为了避免或者减少这些因素的干扰，当PM2.5检测装置进行测量时，需要同时对当前温度、湿度进行测量，根据他们的多重线性关系，同时依靠多元线性回归、典型相关分析发展而来的偏最小二乘回归对检测数据进行优化，通过这种优化后，多种自变量对检测结果的影响小了很多。刘鹏[22]，以气象参数（温度、湿度、气流速度等）为系统的输入量X，相对应输出的结果为的PM2.5浓度Y，采用偏最小二乘回归求得Y对X的标准回归系数，去除系数较小项最终选取温度、湿度作为

　　式中：Humi为温度补偿后的湿度值，即最后系统所需要显示、记录的湿度值。

　　X影响颗粒物检测装置的另外一个潜在的因素就是对采样空气的检测时的气体流速，并且PM2.5浓度越高，则气体流速对检测的结果影响更加明显。徐雪娇等在研究时[23]，总结出了一些可视化的现象，其中如图2-4为气体流速与散射光强的相关性。如图所示当气体流速低于0.5L/min时，散射光的强度随流速增加，而出现先上升再下降的现象；当流速处于1.8~1.55L/min这一区间时，散射光的强度将会持续上升。产生这些现象的主要原因是，气体流速较高时，样本空气中的颗粒物浓度过高，它们会相互吸附，导致一些颗粒物的粒径增大，因此光散射强度随气体流速的增加而增大。如果样本空气的气体流速过低虽然影响不是特别大，但是此时对检测结果的影响因素会相应的增加许多。气体流速如果处于0.5~1.18L/min这一区间时，特别是当流速为0.8L/min时，检测结果收到的偏差比较稳定。这为颗粒物检测装置的检测采集流速提供了可靠依据。

　　本文的目的为通过相关电子设计技术，设计一个空气质量检测装置，该装置可以对颗粒物浓度进行精确的检测，同时具备检测温度、湿度的功能，同时本文所设计的装置成本低。所述装置能够实时的检测室内空气的质量，以通过互联网与阿里云数据库进行连接，进行检测数据的实时传输与发送，为一些环境检测站提供相关数据。本文所述装置具有优秀的性能，同时检测结果精确，可以稳定持续的工作。根据相关功能的分析总结，本装置的要求为：

　　明确空气质量所需检测的颗粒物，整体颗粒物中，对人体危害比较严重的颗粒物为PM2.5，所以检测装置主要对PM2.5进行检测；

　　为实现检测结果的准确性，需要对一些参数进行设定，如测量范围、测量精度、反馈速度、采样周期；

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