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如何使用树莓派测定颗粒物(PM 2.5)


使用两个简单的硬件设备和几行代码构建一个空气质量探测器。

我们在东南亚的学校定期测定空气中的颗粒物。这里的测定值非常高,尤其是在二到五月之间,干燥炎热、土地干旱等各种因素都对空气质量产生了不利的影响。我将会在这篇文章中展示如何使用树莓派来测定颗粒物。

什么是颗粒物?

颗粒物就是粉尘或者空气中的微小颗粒。其中 PM10 和 PM2.5 之间的差别就是 PM10 指的是粒径小于 10 微米的颗粒,而 PM2.5 指的是粒径小于 2.5 微米的颗粒。在粒径小于 2.5 微米的的情况下,由于它们能被吸入肺泡中并且对呼吸系统造成影响,因此颗粒越小,对人的健康危害越大。

世界卫生组织的建议颗粒物浓度是:

  • 年均 PM10 不高于 20 µg/m³
  • 年均 PM2.5 不高于 10 µg/m³
  • 不允许超标时,日均 PM10 不高于 50 µg/m³
  • 不允许超标时,日均 PM2.5 不高于 25 µg/m³

以上数值实际上是低于大多数国家的标准的,例如欧盟对于 PM10 所允许的年均值是不高于 40 µg/m³。

什么是空气质量指数Air Quality Index(AQI)?

空气质量指数是按照颗粒物的测定值来评价空气质量的好坏,然而由于各国之间的计算方式有所不同,这个指数并没有统一的标准。维基百科上关于空气质量指数的词条对此给出了一个概述。我们学校则以美国环境保护协会Environment Protection Agency(EPA)建立的分类法来作为依据。

空气质量指数

空气质量指数

测定颗粒物需要哪些准备?

测定颗粒物只需要以下两种器材:

  • 树莓派(款式不限,最好带有 WiFi)
  • SDS011 颗粒物传感器

颗粒物传感器

颗粒物传感器

如果是只带有 Micro USB 的树莓派 Zero W,那还需要一根连接到标准 USB 端口的适配线,只需要 20 美元,而传感器则自带适配串行接口的 USB 适配器。

安装过程

对于树莓派,只需要下载对应的 Raspbian Lite 镜像并且写入到 Micro SD 卡上就可以了(网上很多教程都有介绍如何设置 WLAN 连接,我就不细说了)。

如果要使用 SSH,那还需要在启动分区建立一个名为 ssh 的空文件。树莓派的 IP 通过路由器或者 DHCP 服务器获取,随后就可以通过 SSH 登录到树莓派了(默认密码是 raspberry):


  1. $ ssh pi@192.168.1.5

首先我们需要在树莓派上安装一下这些包:


  1. $ sudo apt install git-core python-serial python-enum lighttpd

在开始之前,我们可以用 dmesg 来获取 USB 适配器连接的串行接口:


  1. $ dmesg
  2. [ 5.559802] usbcore: registered new interface driver usbserial
  3. [ 5.559930] usbcore: registered new interface driver usbserial_generic
  4. [ 5.560049] usbserial: USB Serial support registered for generic
  5. [ 5.569938] usbcore: registered new interface driver ch341
  6. [ 5.570079] usbserial: USB Serial support registered for ch341-uart
  7. [ 5.570217] ch341 11.4:1.0: ch341-uart converter detected
  8. [ 5.575686] usb 11.4: ch341-uart converter now attached to ttyUSB0

在最后一行,可以看到接口 ttyUSB0。然后我们需要写一个 Python 脚本来读取传感器的数据并以 JSON 格式存储,在通过一个 HTML 页面就可以把数据展示出来了。

在树莓派上读取数据

首先创建一个传感器实例,每 5 分钟读取一次传感器的数据,持续 30 秒,这些数值后续都可以调整。在每两次测定的间隔,我们把传感器调到睡眠模式以延长它的使用寿命(厂商认为元件的寿命大约 8000 小时)。

我们可以使用以下命令来下载 Python 脚本:


  1. $ wget -O /home/pi/aqi.py https://raw.githubusercontent.com/zefanja/aqi/master/python/aqi.py

另外还需要执行以下两条命令来保证脚本正常运行:


  1. $ sudo chown pi:pi /var/www/html/
  2. $ echo '[]' > /var/www/html/aqi.json

下面就可以执行脚本了:


  1. $ chmod +x aqi.p
  2. $ ./aqi.py
  3. PM2.5:55.3, PM10:47.5
  4. PM2.5:55.5, PM10:47.7
  5. PM2.5:55.7, PM10:47.8
  6. PM2.5:53.9, PM10:47.6
  7. PM2.5:53.6, PM10:47.4
  8. PM2.5:54.2, PM10:47.3

自动化执行脚本

只需要使用诸如 crontab 的服务,我们就不需要每次都手动启动脚本了。按照以下命令打开 crontab 文件:


  1. $ crontab -e

在文件末尾添加这一行:


  1. @reboot cd /home/pi/ && ./aqi.py

现在我们的脚本就会在树莓派每次重启后自动执行了。

展示颗粒物测定值和空气质量指数的 HTML 页面

我们在前面已经安装了一个轻量级的 web 服务器 lighttpd,所以我们需要把 HTML、JavaScript、CSS 文件放置在 /var/www/html 目录中,这样就能通过电脑和智能手机访问到相关数据了。执行下面的三条命令,可以下载到对应的文件:


  1. $ wget -O /var/www/html/index.html https://raw.githubusercontent.com/zefanja/aqi/master/html/index.html
  2. $ wget -O /var/www/html/aqi.js https://raw.githubusercontent.com/zefanja/aqi/master/html/aqi.js
  3. $ wget -O /var/www/html/style.css https://raw.githubusercontent.com/zefanja/aqi/master/html/style.css

在 JavaScript 文件中,实现了打开 JSON 文件、提取数据、计算空气质量指数的过程,随后页面的背景颜色将会根据 EPA 的划分标准而变化。

你只需要用浏览器访问树莓派的地址,就可以看到当前颗粒物浓度值等数据了: http://192.168.1.5:

这个页面比较简单而且可扩展,比如可以添加一个展示过去数小时历史数据的表格等等。

这是Github上的完整源代码。

总结

在资金相对紧张的情况下,树莓派是一种选择。除此以外,还有很多可以用来测定颗粒物的应用,包括室外固定装置、移动测定设备等等。我们学校则同时采用了这两种:固定装置在室外测定全天颗粒物浓度,而移动测定设备在室内检测空调过滤器的效果。

Luftdaten.info 提供了一个如何设计类似的传感器的介绍,其中的软件效果出众,而且因为它没有使用树莓派,所以硬件更是小巧。

对于学生来说,设计一个颗粒物传感器确实算得上是一个优秀的课外项目。

你又打算如何使用你的树莓派呢?

本文永久更新链接:http://embeddedlinux.org.cn/emb-linux/entry-level/201805/14-8158.html



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