毕业设计（论文）-基于物联网的PM2.5实时监测系统的设计(30页).doc

-毕业设计（论文）-基于物联网的PM2.5实时监测系统的设计-第 25 页 本科毕业设计 题目:基于物联网的PM2.5实时监测系统的设计学 院:信息科学与工程专 业:电子信息工程学 号:学生姓名:指导教师:日 期:二一四年六月摘 要PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物，也称可入肺颗粒物。与其它大气污染物相比，PM2.5粒径小，含有大量有毒、有害物质并且在空气中停留时间较长，对人体健康和环境质量的影响更大，已经引起了国内外普遍的高度关注。但目前，对于PM2.5的研究，国内外多数还停留在检测方法和仪器设备的开发上，面对监测系统网络化的研究很少，并且现在已研发出来的PM2.5监测设备因其价格昂贵、体积庞大、网络扩展能力差、系统运行维护费用高等特点，无法得到广泛应用。本设计旨在开发一种体积小、成本低的PM2.5监测器；并利用物联网实现实时、随身的监测数据显示，供人们对空气质量进行评估。设计的核心内容是利用价格便宜功能强大的传感器专用控制器Arduino单片机实现PM2.5的采样和传输。主要工作包括：Arduino单片机与传感器的硬件连接电路的设计；Arduino对传感器采样控制的编程实现；传感器采样数据通过网络传输给物联网平台“乐联网”的编程实现；乐联网的配置，包括网关设置、传感器的添加、智能物联信息设置等；以及测试环境的搭建以进行实时PM2.5监测和发布。设计完成后的系统可以在乐联网平台上实时反馈出PM2.5浓度，并能将数据通过微博或微信的方式发送出来，用户可以通过手机实时查看。通过相关功能测试，证明该系统测量准确，应用前景广阔。关键词： PM2.5； Arduino单片机； 实时监测； 物联网Abstract PM2.5 refers to the particles in the atmosphere whose diameters are equal to or less than 2.5 microns, which are also called inhalable particles. Compared with other air pollutants, PM2.5 has smaller diameter and stays in the atmosphere for a longer time. It also has large amount of toxic, harmful substances. So the impact on human health and environmental quality is more remarkable, and has been highly concerned by the people all over the world. However, for the research related to PM2.5 now are still focusing on the development of detecting methods and devices, which are either expensive or massive. Some of the studies on developing monitoring systems based on the Internet cannot be widely used. The design in this thesis aims to develop a small-size, low-cost, PM2.5 monitor, which makes use of the Internet of Things to display real-time monitoring results in a portable way for users to evaluate the air quality. The key point of the design is to use a cheap and powerful Arduino micro controller, which is dedicated for sensor applications, to control the sampling and transmission of PM2.5. The main work includes: designing the circuit to connect Arduino micro controller and sensor hardware; coding to realize the air pollutants sampling by PM2.5 sensor under the control of Arduino; coding to transmit sensor data over the network to the "Leweiso", which is a implementation of Internet of things; Configuring Leweiso, including setting gateways, adding or deleting sensors, setting information of Internet of Things; and setting up a test environment for real-time PM2.5 monitoring and releasing. The realized system can publish PM2.5 concentration value in Leweiso client online. And the value can be show in the users microblogs or Wechats, so that users can view real-time data through mobile phone. The tests show that, the system can measure PM2.5 in high accuracy, and can be widely used. Keywords: PM2.5; Arduino microcontroller; Real-time monitoring; Internet of Things目 录1 绪论11.1 课题背景11.2 课题目的及意义11.3 主要工作及创新点21.4 论文结构22 系统需求及分析42.1 系统功能需求分析42.2 系统运行平台选择42.2.1 Arduino平台介绍42.2.2 物联网应用平台“乐联网”的相关介绍52.3 PM2.5传感器信号采集原理63 硬件设计73.1 硬件总体结构73.2 硬件系统原理图及模块简介83.2.1 硬件系统原理图83.2.2 Arduino Uno R3 控制板93.2.3 Arduino Ethernet W5100网络控制模块103.2.4 Sharp GP2Y1010AU0F PM2.5传感器114 软件设计134.1 软件总体结构134.2 传感器的控制与采样144.3 Arduino与乐联网的互联165 测试与分析225.1 测试工具及测试环境225.2 模块测试235.2.1 Sharp GP2Y1010AU0F PM2.5传感器模块测试235.2.2 Ethernet W5100 Test245.3 系统联调266 结束语29参考文献30致谢31附 录321 绪论1.1 课题背景 随着我国经济的快速发展，人民生活水平已经提高到一个相对令人满意的地步。但是，以损耗自然资源作为代价换取经济发展的结果的弊端也逐渐的暴露出来。例如今年春季以来武汉等地的连续雾霾天气日益严重。因此，大气颗粒物的检测显得尤为重要。在我国，PM2.5走进公众的视野只有两年左右的时间，2012年2月，国务院发布了新修订的环境空气质量标准，首次增加了PM2.5的监测，随后，各地对于PM2.5的监测才进入正轨。 目前，测定PM2.5主要有四种技术：振荡天平技术、Beta射线技术、Beta射线光浊度技术和光散射技术，由于PM2.5颗粒物由多种微小物质组成，并以不同的形态存在于空气中，在自动监测过程中需要排除由于颗粒物的吸水性导致测量结果偏高和挥发性物质容易丢失造成的测量结果偏低的问题，并且这些检测技术成本高，普及度低。如今有很多利用粉尘颗粒物传感器检测空气中PM2.5浓度的系统实际方案：以无线传感器网络（WSN）为监测网络，以GPRS无线传输模块传输数据设计的PM2.5监测系统；有以基于ZigBee无线传感器网络的PM2.5监测系统的设计方法。也有很多用Arduino+Sharp GP2Y1010AU0F PM2.5传感器组合方案，只是后续的数据处理是通过Raspberry Pi（树莓派）将数据传输到Yeelink平台。 这些方案硬件复杂度低、体积小、能耗低、操作简单，但数据传输实现都比较难，如通过树莓派传数据需要在树莓派上新建Python文件air.py文件，过程繁杂，并且很难保证数据的实时传输。本次毕业设计题目为基于物联网的实时监测空气中PM2.5浓度的系统，传输数据选择的是以太网网络传输模块Ethernet W5100，实现起来比较简单；物联网平台选择的是乐联网，相比较Yeelink平台数据传输的实现也更加简便。1.2 课题目的及意义本课题受到国家自然科学基金青年基金的支助，主要工作集中在PM2.5的实时监控与基于物联网的传输与显示。（1）课题目的：本课题旨在设计一个PM2.5监测系统，能以一种简单、有效的方式去检测空气中的大气颗粒物的变化；并且以一种实时、随身的方式将大气颗粒的浓度显示出来，以便于人们的出行规划。（2）课题意义： 利用PM2.5传感器实时采集空气中灰尘颗粒浓度信息，并将这些采集到的信息通过高速互联网传输到信息处理中心，这些信息在信息处理中心经过云计算技术提供的海量信息处理功能对其进行智能化处理之后，实现人与人、物与物、人与物之间的有效沟通。1.3 主要工作及创新点本设计使用Arduino Uno R3作为控制板，Arduino Ethernet W5100作为网络传输模块实时传输由 Sharp GP2Y1010AU0F PM2.5传感器监测到的数据，并将数据上传至物联网平台乐联网，并通过微信或微博的方式发送给用户。主要工作包括：(1)硬件部分： 将Arduino Uno R3控制板、Arduino Ethernet W5100网络控制模块和PM2.5灰尘颗粒传感器模块组成系统，用于监测空气中PM2.5浓度，并实现将数据上传；在物联网平台上完成注册信息，登陆之后获取USERKEY，并注册网关，添加传感器，绑定微博，设置智能物联配置信息等等。(2)软件部分：对ArduinoUno R3单片机进行功能测试1；对 Sharp GP2Y1010AU0F PM2.5灰尘颗粒传感器特性曲线图进行分析得出公式进而编程进行功能测试；对Arduino Ethernet W5100网络控制模块编写相应代码并测试；以确保相关芯片模块都能正常运行。以及对基于Arduino控制PM2.5浓度相关数据上传至乐联网之后通过微博或微信实时监控整个系统编写相应代码并调试，实现课题所要求的所有功能，完成毕业设计。一般的数据监测系统都是直接传输到液晶显示屏上，常用的有LCD1602，并且未经任何智能化处理，直接以测得的数据显示。本次设计创新点在于将PM2.5传感器检测到的数据通过Arduino Ethernet W5100网络控制模块传输到物联网平台乐联网上，并通过乐联网将数据发送到微博或微信中，其中数据传输到乐联网平台后，该平台会对接收的数据进行智能处理，以浓度曲线形式实时反馈空气中PM2.5浓度，并能通过微博或微信将分析后的数据发送至客户端，只要网关一直在线，不论用户身在何方，打开微博或微信都能实时查看PM2.5浓度，这种方案既方便又时髦，如能推广普及，相信能够让人们更加关注日益严重的空气污染。1.4 论文结构论文一共分为六章，第一章为绪论部分，主要介绍设计背景和意义、国内外研究现状和本设计采用的技术方案；第二章主要介绍系统的需求，以及相关背景知识和软硬件平台的介绍；第三章介绍PM2.5浓度实时监控系统的硬件设计，主要对系统的总体结构以及各个模块的结构进行详细介绍；第四章为软件实现，包括软件的整体实现框架和传感器的采样分析以及乐联网与Arduino的互联；第五章为各子模块功能测试和整个系统联调及调试结果分析；第六章为结束语，对整个设计进行了总结和展望。设计主要代码以附录形式附在论文的最后。论文的主体部分为第三章、第四章及第五章。2 系统需求及分析2.1 系统功能需求分析本次设计以Arduino Uno R3芯片为控制核心，Sharp GP2Y1010AU0F PM2.5灰尘颗粒传感器为监测源，通过Arduino Ethernet W5100以太网网络控制模块实现监测所得数据上传到物联网平台中，来制作一个物联网PM2.5监控系统，在物联网平台中设置相关参数，并绑定微博或微信，通过手机微博或微信将实时监测的数据发送出来。难点在于如何通过Arduino Ethernet W5100以太网网络控制模块实现数据上传，并且是将数据直接上传至物联网的一个平台，这个过程需要对W5100芯片进行测试和初始化，并通过Arduino代码控制数据的上传。2.2 系统运行平台选择 要实现该课题所要求的功能，需借助Arduino 平台，利用其软件编写相关程序代码实现整个系统的控制，利用其硬件Arduino单片机作为整个系统的控制中心；相关结果将上传至物联网平台，这里我选择的是一个开放API接口的物联网平台“乐为物联”。2.2.1 Arduino平台介绍 Arduino 是一款快捷方便的开源电子原型平台，包含硬件（多种型号的arduino单片机）和软件部分（arduino IDE)。它适用于艺术家、设计师、爱好者和对于“互动”有兴趣的朋友们。Arduino，是一个基于开放源代码的软硬体平台，构建于开放源代码simple I/O介面板，并且具有类似于C语言的设计开发环境。Arduino单片机能通过各种各样的传感器来感知环境变化，通过控制马达灯光、和其他的装置来反馈、影响环境。单片机上的微控制器可以通过Arduino编程语言来编写程序，编译成二进制文件，烧录进微控制器中。对Arduino的编程是用 Arduino编程语言和Arduino开发环境来实现的2。基于Arduino的设计，可以只包含Arduino，也可以由Arduino和其他一些在PC上运行的软件组成。 Arduino可以使用已经开发出来的电子元件如Switch、Sensors或其他控制器、二极管、马达等输出装置。Arduino也能独立运作成为一个可以跟软件沟通的接口，如：flash、processing、Max/MSP等他互动软件。Arduino开发的IDE接口基于开放源代码，可以让您免费使用并开发出更多优秀的互动作品。Arduino具有如下特点：a. 开放源代码的电路图设计，免费下载的程序开发接口，可依需求自己修改。b. 使用低价格的微处理控制器(AVR控制器)，可以采用USB接口供电，不需外接电源，也可以使用外部9VDC输入。c. Arduino支持ISP编程在线烧录，可将新的“bootloader”固件烧入AVR芯片。可通过USB to Rs232线或者串口更新固件。d. 官方提供Eagle格式的PCB和SCH电路图，可用来简化Arduino模组，完成独立运作的微处理控制；可与传感器，各式各样的电子元件(如：红外线、超音波、热敏电阻、马达等)连接；e. 支持多种互动程序，如：Flash、Max/Msp、VVVV、PD、C、Processing等；f. 利用Arduino，改变以往只能使用鼠标、键盘等输入装置进行的互动，可以更简单地完成单人或多人的游戏互动。本次设计之所以采用Arduino控制板，是因为它简易的编程环境，开源并可扩展的软硬件资源，Arduino控制板与其他的平台相比价格便宜得多，与其他做交互式系统的单片机平台相比更具有优越性。Arduino是一个能够用来感应和控制现实物理世界的一套开发工具。由一个基于单片机并且开放源代码的硬件平台，和一套用Arduino语言编写的程序的开发环境组成。Arduino可用来读取大量的开关和传感器信号，并且可以用来控制各式各样的电机、电灯和其他电子设备。Arduino项目可以是单独的，也可以在运行时和你电脑中运行的程序（例如：Flash，Processing，MaxMSP）进行通讯。Arduino板你可以选择自己去手动组装或是购买已经组装好的；Arduino开源的IDE可以免费下载得到。Arduino的编程语言是一种类似于C语言的编程语言38。2.2.2 物联网应用平台“乐联网”的相关介绍 乐联网（），通过开发的API接口，可以让您轻松的将各类传感器、测量设备或工业仪器仪表接入该平台，并可以通过开发应用来监管和控制它们。乐联网平台可提供传感器的云服务，无需繁琐的编程，可以让各类测量或控制设备实现网络功能，快速开启物联网的应用。为实现传统企业向物联网企业转型，可将工业仪器仪表无缝接入物联网平台利用物联网强大的数据存储、查询和分析能力可以帮助一些传统行业快速部署自己的物联网应用。乐联网的主要功能有个人门户功能，数据存储和分析（结合行业专家可延展为专家系统），工业仪表无缝接入和手机App功能。物联网架构分为三层：“云端服务器网关设备”。“设备”是指用来采集、测量数据或者可以被控制的设备或仪器；“网关”作用是将设备采集的数据发送到云端服务器上或者将采集数据返回给设备，“网关”的前端能够与测量设备进行通信（如RS232接口，RS485接口），后端需要具备网络功能（如GPRS，WI-FI和以太网功能）；“云端服务器”上部署了用于数据存储和分析的数据库，用户通过客户端（电脑或手机）等可以以浏览器的形式访问数据库，即可实现丰富多样的基于数据的物联网应用。图2.1 乐联网物联网架构图 以一个实际例子来说明，如图2.1所示，例如要采集在北京和上海的两处大棚的棚内温度及湿度数据并存储到服务器上供人们进行相关信息查询和分析，那么我们首先需要在两地大棚内安装测量“设备”，然后将“设备”连接到网络转接模块上，即“网关”，该“网关”会将采集上来的数据转发到公网服务器，即“云端服务器”上进行存储。这样最终用户就可以打开网页查询和分析各项数据了10。2.3 PM2.5传感器信号采集原理 微粒和分子在光的照射下会产生光的折射和散射现象，同时还吸收部分照射光的能量。当一束平行单色光入射到采样颗粒场时，会受到颗粒场周围散射和吸收的影响，光强将会衰减，由此可求得入射光通过待测浓度场光强的相对衰减率，而相对衰减率的大小基本上能线性反映待测场颗粒物（PM2.5）的相对浓度。光强的大小与经光电转换的电信号强度成正比，通过测得电信号强度就可以求得相对衰减率。PM2.5传感器是用光学方法测量悬浮于气相介质或者液相介质中的微小颗粒物特性的传感器装置，具有非接触式测量、不扰动被测对象等特点4。传感器是将外界反馈信息转换成电信号的装置，其中的电信号分为数字信号和模拟信号，数字信号可以通过电气隔离直接送给Arduino单片机或微型计算机进行处理，模拟信号则利用数据采集系统将多路被测量值转换成数字量，再经过Arduino单片机或微型计算机进行数据处理，实现实时监测。3 硬件设计3.1 硬件总体结构 整个系统由Arduino Uno R3、 Ethernet W5100、Sharp GP2Y1010AU0F PM2.5传感器和一个220uF电容及一个150ohm电阻连接而成，将Ethernet W5100整块插在Arduino Uno R3上，然后将Sharp PM2.5传感器引脚连接在Arduino上，因W5100与Arduino引脚可共用，所以传感器可直接连在W5100上，连接实物如图3.1所示，组成系统后，将Arduino Uno R3用USB连接上电脑，Ethernet W5100用网线连接上路由器，登陆乐联网，完成相关配置信息，打开Arduino IDE 载入程序，将程序烧录到Arduino Uno R3中，就可以在乐联网平台监测PM2.5数据了513。整个系统总体框图如图3.2所示。图3.1 相关硬件组成系统 由系统框图可知，Arduino Uno R3单片机作为整个系统的控制中心，控制着Sharp PM2.5传感器的采样过程，并需要将监测的数据上传到物联网平台“乐联网”，由于Arduino 模块不具备网络扩展功能，因此需借助Ethernet W5100模块来传输数据。主机和W5100模块都需要连接到网络，这里通过路由器来分网，由主机内部的DHCP服务器自动为W5100分配内网IP地址、子网掩码、网关及DNS服务器等参数，使W5100模块实现联网，进而实现数据上传。相关代码需在主机中的Arduino IDE中进行调试，并需登陆进入乐联网完成相关设置，通过绑定微博或在微信中添加公众号“乐为物联”，使数据自动发送至微博或微信，实现PM2.5的实时监测。图3.2 系统总体框图3.2 硬件系统原理图及模块简介3.2.1 硬件系统原理图 整个系统原理图如图3.3所示，其中网络传输模块 Ethernet W5100占用 Arduino的引脚的10（SPI的/ss)、引脚11(SPI接口的MOSI),引脚12（SPI接口的MISO)、引脚13（SPI接口的SCK）、引脚2（W5100的外部中断）、引脚3（W5100的片选），和3.3V工作电压，5V传输IO口电压9。图3.3 系统原理图 Sharp PM2.5传感器原理图如图3.4所示，内部结构图如图3.5所示，其中3号引脚LED是个PNP三极管，V1(E极)>V3(B极)>V2(C极),同时V3决定了LED是否发光（是控制端），所以1号引脚不能接入过高电压，因此1号引脚在连接Arduino 5V电源引脚时应串联一个150ohm的电阻，另外接入以一220uF电容是为了滤波，稳压作用11。图3.4 Sharp PM2.5传感器原理图图3.5 传感器内部结构图3.2.2 Arduino Uno R3 控制板 Arduino Uno是Arduino USB接口系列的最新版本，作为Arduino平台的参考标准模板。UNO的处理器核心是Atmega328，同时具有14路数字输入/输出口（其中6路可作为PWM输出），6路模拟输入，一个16MHz晶体振荡器，一个USB口，一个电源插座，一个ICSP header和一个复位按钮。UNO已经发布到第三版，与前两版相比有以下新的特点： 在AREF处增加了两个管脚SDA和SCL，支持I2C接口；增加IOREF和一个预留管脚，将来扩展板将能兼容5V和3.3V核心板。Arduino Uno R3改进了复位电路设计方法，USB接口芯片用ATmega16U2替代了ATmega8U27。图3.6 Arduino uno R3 单片机3.2.3 Arduino Ethernet W5100网络控制模块 Ethernet W5100 是一块以W5100为控制核心的以太网网络控制模块，Ethernet W5100可以使Arduino成为简单的Web服务器，控制Arduino的读写数字IO口和模拟IO口等，采用了可堆叠的设计，可直接插在Arduino单片机上，还同时支持SD卡读/写。你可将Arduino连接到路由器上面，使以通过Internet送出去，如果Arduino送出数据到Internet就可以从网络上任何地方读取Arduino的数据，也可以用Arduino送出数据到Internet上，之后通过浏览器看到这些数据8。 图3.7 Ethernet W5100网络控制模块 从Arduino官网http:/arduino.cc/en/Main/ArduinoEthernetShield公布的原理图可以看到Ethernet 和SD卡公用一个SPI的接口，占用Arduino的引脚的10（SPI的/ss)、引脚11(SPI接口的MOSI),引脚12（SPI接口的MISO)、引脚13（SPI接口的SCK）、引脚2（W5100的外部中断）、引脚3（W5100的片选）和引脚4（SD卡的片选），同一时间内Ethernet Shile 扩展板只能启用Ethernet 和SD卡中一个功能。 W5100芯片是一款多功能的网络接口芯片，内部集成有10/100以太网控制器，主要应用高性能和低成本的嵌入式系统中，可以实现与没有操作系统的Internet连接。 W5100内部集成了全硬件设计的且经过多年市场验证的TCP/IP协议栈、以太网介质传输层（MAC）和物理层（PHY),硬件TCP/IP协议栈支持TCP,UDP,ICMP,ARP,IGMP和PPPoE,使用W5100模块不需要考虑以太网的控制，只需要进行简单的端口控制即可，W5100主要有如下特点：支持硬件TCP/IP协议；内嵌10BaseT/100BaseTX以太网物理层协议；支持自动通信握手（全双工和半双工）；支持自动MDI/MDX校正,自动校正信号的极性；支持ADSL连接；支持4个独立端口同时运行；不支持IP地址的分片处理；内部集成16KB的存储器用于数据发送、接收；0.18微米 CMOS工艺；3.3V工作电压，I/O端口可承受5V的电压；环保无铅封装；支持SPI接口（SPI模式0）调用；多功能LED信号输出（TX,RX,全双工/半双工，连接等）6。 3.2.4 Sharp GP2Y1010AU0F PM2.5传感器 SharpGP2Y1010AU0F PM2.5灰尘颗粒传感器采用光学传感制度。由一个红外发光二极管（IRED）和一个光电晶体管对角布置设计而成。它检测在空气中的PM2.5浓度场的反射光。可有效地检测到非常小的颗粒物如香烟烟雾颗粒。 此外,它能区别通过输出电压的脉冲模式9。 图3.8 PM2.5传感器模块（1） 灰尘传感器GP2Y1010AU主要参数： 电源电压：DC5±2V；工作电流：20mA（峰值）；灵敏度：0.5V/(0.1mg/m3)；最小粒子检出值：0.8微米；清洁空气中电压：0.9V 典型值；工作温度：-1065；存储温度：-2080；使用寿命：5年；尺寸大小：46mm×30mm×17.6mm；重量大小：15g。（2）传感器工作原理分析：由狭缝和透镜，光从发光元件（发光二极管）缩小到透射光的一面，由于受光元件（光电二极管）也切成尽可能不需要的光，在接收有效地检测光时将通过狭缝和透镜以及光发射部分推掉，这些光轴在检测区域交叉存在，光接收元件接收由壳体内壁发光元件的各种路由反射的光，当颗粒物粉尘粒子（如香烟烟雾）或灰尘进入检测区域，传感器将从粉尘粒子和烟雾颗粒接收反射光，根据光电转换转换成电流，输出电流与从光接收元件获得的接收光的光量成正比，并输出为一个（脉冲输出）的模拟电压。（3）灰尘传感器Sharp GP2Y1010AU应用： Sharp GP2Y1010AU0F PM2.5传感器是一款光学空气质量传感器，设计用来感应空气中的小颗粒物粉尘粒子，其内部对角安放着红外发光二极管和光电晶体管开关，使得其能够探测到空气中小颗粒物在透镜上形成的反射光，即使非常细小的颗粒物也能够被检测到，通常应用于空气净化系统。 该传感器具有非常低的电流消耗（最大20mA），可使用高达7VDC。该传感器输出值为模拟电压，其值与颗粒物浓度成正比，可先通过AD转换为数字值，再转换为颗粒物浓度（PM2.5），可测量0.8微米以上的微小粒子，感知烟草产生的烟雾颗粒和花粉，房屋粉尘等。其体积小，重量轻，便于安装，广泛应用于空气清新机，换气空调,换气风扇等产品，其灵敏度：0.5V/0.1mg/m3。4 软件设计4.1 软件总体结构 整个系统的软件实现流程图如图4.1所示，程序代码见附录。整个系统的功能实现需借助于主机的DHCP服务器，能为以太网控制模块Ethernet W5100自动分配网络参数，包括IP地址、掩码、网关及DNS参数等，如果不能自动获取IP地址等参数，则需在代码中手动输入；为了使Ethernet W5100能将数据上传至乐联网，还需调用乐联网的API接口1415，包括注册乐联网账户时自动生成的唯一USERKEY、网关、测量设备等信息，如果连接乐联网失败，将等待30ms，然后重连并发送数据，乐联网平台接收到数据后会将接收到的数据进行智能处理，并按字节存储，最后以浓度曲线形式给出。图4.1 软件实现流程图4.2 传感器的控制与采样根据夏普公司提供的Sharp传感器资料可知16，Sharp PM2.5传感器采样特性图如图4.2所示，由采样特性图给出的采样周期为10ms，其中低脉冲时间为0.32ms，高脉冲时间为9.68ms；在一个采样周期内输出脉冲在LED灯点亮过程0.28ms处于变化状态，0.04ms处于稳定状态，而LED灯的点亮过程处于输入为低脉冲的0.32ms时间内。因此采样过程中，LED灯处于点亮过程中，只取处于变化状态0.28ms内的有效值，然后延时0.04ms关闭LED，再延时9.68ms开始下一个周期。 (a) (b)图4.2 采样特性图 对Sharp GP2Y1010AU0F PM2.5传感器特性曲线图进行分析，该曲线反映了Dust density与Output votage之间的关系，由图可以看出，只有在输出电压高于0.5V时，才能得到PM2.5浓度值，对传感器采样特性图分析11得到如图4.3 PM2.5浓度与输出电压之间的曲线图，可得Dust density与Output votage之间在一定范围内呈线性关系：Dust density=0.172*Output votage-0.0999；由此可根据传感器输出的电压求得空气中Dust density的值，即空气中的PM2.5浓度。 图4.3 特性曲线图 相关测试代码如下所示： Interface to Sharp GP2Y1010AU0F Particle Sensor Sharp pin 1 (V-LED) => 5V (connected to 150ohm resister) Sharp pin 2 (LED-GND) => Arduino GND pin Sharp pin 3 (LED) => Arduino pin 2 Sharp pin 4 (S-GND) => Arduino GND pin Sharp pin 5 (Vo) => Arduino A0 pin Sharp pin 6 (Vcc) => 5Vint dustPin = 0; / 连接模拟口0int ledPower = 2; / 连接数字口2int delayTime = 280;int delayTime2 = 40;float offTime = 9680;float dustVal = 0;float dustval = 0;float dustDensity = 0;void setup()Serial.begin(9600);pinMode(ledPower,OUTPUT);void loop()digitalWrite(ledPower,LOW); /开启内部LEDdelayMicroseconds(delayTime); / 开启LED后的280us的等待时间dustVal = analogRead(dustPin); / 读取模拟值delayMicroseconds(delayTime2); / 40us等待时间digitalWrite(ledPower,HIGH); / 关闭LEDdelayMicroseconds(offTime);/ 0 - 5V mapped to 0 - 1023 integer values/ recover voltageDustval = dustVal * (5.0 / 1024.0); /将模拟值转换为电压值/ linear eqaution taken from dustDensity = (0.172 * dustval - 0.0999)*1000; /将电压值转换为粉尘密度输出单位Serial.println(dustDensity); / 输出单位: ug/m3delay(1000);4.3 Arduino与乐联网的互联 在物联网平台“乐联网”17上完成注册的处理过程包括：在主页上点击“加入我们”，然后填写账号、密码和邮箱，登录到邮箱里面激活账号即可。登录进入乐联网系统后，通过点击左边管理菜单下“我的账户”菜单列表下的“设置个人信息”里面可以看到新生成的userkey，这个userkey是每个用户唯一的，可通过点击重新生成会生成新的userkey。 图4.4 设置个人信息 如图4.4所示，在程序define LW_USERKEY后面输入实际个人账号的userkey。#define USERKEY "73294622db2246279d3cedc287c905a8" （1）绑定微博账户 如图4.5所示，在我的账户中“绑定新浪微博”即可将传