本网页已闲置超过3分钟,按键盘任意键或点击空白处,即可回到网页

可移动空气微粒(PM10 & PM2.5) 和 NO2 测量仪

发布时间:2021-12-31
分享到:

可移动空气微粒(PM10 & PM2.5) 和 NO2 测量仪

发布时间:2021-12-31
分享到:

该项目能够在移动时测量空气中的细尘和二氧化氮浓度,并将 GPS 坐标添加到每个测量位置。

项目历史和目标
除了食物和水,我们呼吸的空气对我们的健康至关重要。然而,我们呼吸的空气有时会被细小的灰尘颗粒和几种有毒气体严重污染。从长远来看,这会对我们的健康产生非常不利的影响。一些颗粒和气体,例如黑碳和二氧化氮,无法通过闻它们的气味来检测到,而这些物质对呼吸系统是有毒有害的。因此,以低成本准确测量这些物质将大大减轻糟糕空气对我们的影响。

2016年,斯图加特大学基于Nova的传感器SDS011开发了一种低成本的颗粒物监测仪。该传感器因其低成本和测量精度而被选中。它可以通过使用激光衍射和光学信号处理来测量尺寸小于 10 µm (PM10) 和 2.5 µm (PM2.5) 的颗粒物 (PM)。

该项目导致“luftdaten.info”网络,2018 年连接了 30,000 多个颗粒物测量站,每天都有新站连接到该网络。该网络已发展成为西欧最大的民用空气质量测量网络。每个站点仅由三个互连模块组成:SDS011 细尘传感器、DHT22 温度和湿度传感器和 Lolin NodeMCU 1.0 微板,其中包含 ESP8266 微控制器、USB 接口以及充当 Wifi 站和 Wifi 的功能-AP(接入点)。首次启动时,电表作为 Wifi-AP 执行初始配置,之后电表转换为连接到家庭网络的 Wifi 站。因此,

然而,这些计量站仅在固定位置测量颗粒物浓度。作为在交通繁忙的道路上经常骑自行车通勤的人,需要在骑自行车的同时测量空气质量。由于交通尾气,尤其是汽油车排放的尾气,不仅含有颗粒物,而且含有大量二氧化氮,本项目的目的是测量颗粒物(PM10和PM2.5)以及空气中二氧化氮的浓度。传感器数据不会直接发送到云端(作为在线数据库服务器),而是写入 SD 卡上的文件,并且(可选)可以实时显示为 6 位 7 段显示器。

技术说明
这款移动式空气质量计围绕 Arduino Nano 微板构建。在最简单也是最便宜的版本中,Arduino Nano 通过串行外围接口 (SPI)、SDS011 细尘传感器和开放式智能 GPS 模块连接到 SD 卡读卡器,后两者通过经典的 V24 串行发送数据协议。

SD 卡读卡器、GPS 模块和 Arduino Nano 插入主 PCB,该 PCB 以牢固的故障安全方式提供这些组件之间的所有连接,而 SDS011 传感器通过 4 线扁平电缆连接,该电缆始终随附订购时使用此传感器。细尘传感器通过 3 个螺丝固定在主板上。

主板还包含一个 DPDT 开关和一个简单的晶体管电路,用于处理软件控制的断电。这是必要的,以防止在写入 SD 卡上的日志文件的周期中断电,这会导致文件损坏,或者在最坏的情况下会导致 SD 卡无法访问。将开关置于关闭状态后,最终正在进行的写入周期结束,定时器启动 2 秒。如果开关在超时之前没有再次进入开启状态,则会在关闭文件之前计算数字签名并将其写入文件。此签名可防止文件内容在将其上传到网络服务器之前编辑其数据而受到损害。

每次打开移动仪表时,都会在 SD 卡上创建一个新的文本文件。此文件的名称始终以“log_”开头,后跟 3 位序列号。在草图的设置中,存在一种算法来寻找最低的空闲序列号来构建新的唯一日志文件,以防止覆盖或将数据附加到现有日志文件。创建新文件后,移动仪表的唯一 IDcode 作为日志文件中的第一行写入。此 ID 代码对于在所有日志文件上传到网络服务器后正确区分这些文件至关重要。

该仪表可以通过连接 DHT22 温度和湿度传感器和 NO2 传感器板 CJMCU-4541 来增强。测量湿度很重要,因为极低 (<10%) 和高 (>90%) 的相对湿度会对细粉尘浓度产生影响,而温度对于计算以 µg/m³ 为单位的 NO2 浓度是强制性的。当这 3 个传感器存在时,每个测量记录由日志文件中的 3 个后续数据行表示:

  • 第一行包含以 µg/m³ 为单位的 PM10、PM2.5 和 NO2 浓度
  • 第二行包含以°C 为单位的温度和相对湿度 %
  • 第三行包含 GPRMC 句子,其中包含 NMEA 格式的 GPS 坐标

可选配6位7段显示器与仪表相连,在行驶中实时读取采集到的数据。为了以一种安全和舒适的方式实现这一点,整套设备都装在一个防水的透明外壳中,该外壳可以轻松打开和关闭,以便安装和移除 SD 卡以及更换耗尽的电池。为了能够显示三个传感器测量的所有数据,提供了 4 种显示模式:

  • 模式 0 左侧显示 PM10 值(0-999),右侧显示 PM2.5(0-999)
  • 模式 1 在左侧显示电源电压 (42-51),在右侧显示 NO2 (0-999)
  • 模式 2 左侧显示湿度(0-99),右侧显示温度(0-99)
  • 模式3显示时间:左侧小时(0-23)和右侧分钟(0-59)

上次显示模式中的时间来自从 GPS 模块接收到的 GPRMC 语句。通过这 4 种显示模式,可以通过将开关置于关闭状态并在已经提到的 2 秒计时器到期之前再次回到开启状态来旋转。当切换到另一种显示模式时,首先会显示模式数字一段时间以确认显示一组新的测量数据。

需要四节 AA 型电池直接为 Arduino Nano 板、GPS 模块、SD 卡读卡器、细尘传感器和 NO2 传感器提供 5V 电压。DHT22 传感器连接到 Arduino Nano 板的 3.3V 输出。电池可以充电也可以不充电。电池电压不断采样,当它首次降至 4.3V 以下时,禁止写入 SD 卡。在 4.3V 以下的电源电压读数 4 次后,活动日志文件将在写入数字签名后关闭,软件控制的断电被禁用,以便在将开关置于关闭位置时设备将立即关闭。这种电压监控机制可防止由于电池耗尽而导致文件损坏或 SD 卡损坏。

还可以将外部警告设备连接到移动式细尘测量仪,例如闪光灯或蜂鸣器,以提醒环境已超过 200 µg/m³ PM10 浓度的健康危害阈值。

在下图中,两张照片已合并,显示了塑料外壳打开后两侧所有组件的内部排列。这是带有显示屏的移动仪表的原型。

如果您对此项目有任何想法、意见或问题,请在下方留言。

原文链接丨以上内容来源网络,如涉及侵权可联系删除。

加入微信技术交流群

技术交流,职业进阶

关注与非网服务号

获取电子工程师福利

加入电路城 QQ 交流群

与技术大牛交朋友

讨论