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如何使用树莓派测定颗粒物(PM 2.5)

2018-5-9 10:52| 发布者: 炼数成金_小数| 查看: 15524| 评论: 0|原作者: MjSeven 译|来自: Linux 中国

摘要: 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。颗 ...

tm Python Java HTML Hadoop 树莓派

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[1]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[2]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[3](EPA)建立的分类法来作为依据。

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,较好带有 WiFi)
SDS011 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[4]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):

$ ssh pi@192.168.1.5
首先我们需要在树莓派上安装一下这些包:

$ 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:

$ dmesg
[ 5.559802] usbcore: registered new interface driver usbserial
[ 5.559930] usbcore: registered new interface driver usbserial_generic
[ 5.560049] usbserial: USB Serial support registered for generic
[ 5.569938] usbcore: registered new interface driver ch341
[ 5.570079] usbserial: USB Serial support registered for ch341-uart
[ 5.570217] ch341 1–1.4:1.0: ch341-uart converter detected
[ 5.575686] usb 1–1.4: 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:
$ 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:
$ sudo chown pi:pi /var/www/html/
$ echo '[]' > /var/www/html/aqi.json

下面就可以执行脚本了:
$ chmod +x aqi.p
$ ./aqi.py
PM2.5:55.3, PM10:47.5
PM2.5:55.5, PM10:47.7
PM2.5:55.7, PM10:47.8
PM2.5:53.9, PM10:47.6
PM2.5:53.6, PM10:47.4
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:
$ crontab -e

在文件末尾添加这一行:
@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:

$ wget -O /var/www/html/index.html https://raw.githubusercontent.com/zefanja/aqi/master/html/index.html
$ wget -O /var/www/html/aqi.js https://raw.githubusercontent.com/zefanja/aqi/master/html/aqi.js
$ 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[6]。

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[7] 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[8]呢?

via: https://opensource.com/article/18/3/how-measure-particulate-matter-raspberry-pi

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