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基于3D打印与单片机实现PM2.5监测装置

的研究

作者：吴亮王泽国邵鸿铭

来源：《无线互联科技》2019年第03期

摘要：PM2.5浓度作为衡量大气污染的指标之一，值得我们时刻关注。文章设计了一种

PM2.5浓度检测装置，利用激光散射来采集数据，通过WiFi模块传送到服务器，将采集结果

呈现给用户，来指引市民的出行规划。

关键词：STM32；PM2.5；3D打印；光散射法

系统整体设计1

本文介绍了一种PM2.5实时监测装置，配合3D打印技术，达到了使用户方便地实时监测

远程局部空气的污染情况，并且实现装置外观的可定制化。以通达学院作为测试场地，使用灰

尘传感器采集数据，通过ESP8266芯片发送数据到服务器，实现液晶屏上和远程网页端的实

时显示。整体框架如图1所示[1]。

感知层，将组装好的样机布置在人员较为密集的区域，例如食堂、操场、宿舍、教室、实

验室等区域。通过对这些区域的数据采集，对学校的空气质量情况做出整体评估。

网络层，将收集到的数据处理后存储在数据库中，传输协议采取TCP/IP协议[2]。

应用层，在数据被处理并存入数据库之后，将由网页端和远程显示端进行请求，最终显示

出来。本设计采用MySQL数据库，在存储数据时考虑到数据数目的庞大，通过优化SQL语句

以及表结构极大的加快了查询速度。考虑到实际情况，对网页进行了兼容性的优化，在IE8以

后的版本上正常显示，同时在用户访问时，通过AJAX技术实现数据的异步刷新，增强用户体

验。通过架设Web服务器，可以将空气质量情况实时的显示在页面上。

硬件2系统设计

以实现采集数据并实时显示在液晶显示屏和远程端口上为目的，系统硬件主要以3个部分

构成。系统以STM32F103为核心，利用其性价比高，拓展性强的优势，搭建一个嵌入式的平

台。

数据采集单2.1元

采集区域内的PM2.5浓度，并输出数字信号。本系统使用SDS011灰尘传感器，通过激光

散射原理实现数据测量[3]。传感器通过发送数据帧（10字节），数据帧包括报文头+指令号+

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数据（6字节）+校验和+报文尾，PM2.5数据最终由数据部分的第一字节和第二字节组成

（PM2.5（μg/m3）=（（第一字节×256）+第二字节/10）。传感器还配有风扇，保证空气流

动，增强采样精度。

数据传输与显示单元2.2

本单元实现了将采集的数据经由WiFi模块发送至服务器端并将MCU收集到的数据展示

在液晶屏上的功能。采用ESP8266串口WiFi模块连接无线网络[4]，通过STM32的可变静态

存储控制器（FlexibleStaticMemoryController，FSMC）外设，提高了通信效率，能够实时地

将数据显示出来。

2.33D模型设计

我们选用SolidWorks软件设计模型[5]。在模型设计方面，可以设计不同的模型来适应场

地的需要，在第四大项系统实现中，我们给出一个设计好的模型。

软件3系统设计

本单元实现了数据采集与处理，并将结果展现用户，该系统使用超文本预处理器

（HypertextPreprocessor，PHP）语言开发，AJAX异步刷新使得数据实时显示在网页端。搭建

服务器，选用MySQl数据库存储数据，多个监测装置通过TCP协议，将信息存储到数据库

[6]。功能执行流程如图2所示[7]。

系统4实现

根据以上设计思路，开发了基于3D打印的PM2.5实时监测系统，并进行了实地测试，本

系统的实际使用情况良好，能够方便准确地反映校园的空气质量情况。

图3为液晶显示屏截图，能够做到实时显示，图4为网页端截图，异步刷新数据，图5为

我们打印出的模型。最终，将组装好的单片机置入模型中，于腹部开口放置显示屏，于背部隐

蔽处开口作为通风口。

本次测试截取了2018年11月25号学生宿舍的PM2.5的历史数据。

结语5

本系统运用了传感器、网络技术以及微型计算机技