使用兩個(gè)簡(jiǎn)單的硬件設(shè)備和幾行代碼構(gòu)建一個(gè)空氣質(zhì)量探測(cè)器。

我們?cè)跂|南亞的學(xué)校定期測(cè)定空氣中的顆粒物。這里的測(cè)定值非常高，尤其是在二到五月之間，干燥炎熱、土地干旱等各種因素都對(duì)空氣質(zhì)量產(chǎn)生了不利的影響。我將會(huì)在這篇文章中展示如何使用樹(shù)莓派來(lái)測(cè)定顆粒物。

什么是顆粒物？

顆粒物就是粉塵或者空氣中的微小顆粒。其中 PM10 和 PM2.5 之間的差別就是 PM10 指的是粒徑小于 10 微米的顆粒，而 PM2.5 指的是粒徑小于 2.5 微米的顆粒。在粒徑小于 2.5 微米的的情況下，由于它們能被吸入肺泡中并且對(duì)呼吸系統(tǒng)造成影響，因此顆粒越小，對(duì)人的健康危害越大。

世界衛(wèi)生組織的建議 顆粒物濃度 是：

年均 PM10 不高于 20 μg/m3
年均 PM2.5 不高于 10 μg/m3
不允許超標(biāo)時(shí)，日均 PM10 不高于 50 μg/m3
不允許超標(biāo)時(shí)，日均 PM2.5 不高于 25 μg/m3
以上數(shù)值實(shí)際上是低于大多數(shù)國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)的，例如歐盟對(duì)于 PM10 所允許的年均值是不高于 40 μg/m3。

什么是 空氣質(zhì)量指數(shù) Air Quality Index （AQI）？

空氣質(zhì)量指數(shù)是按照顆粒物的測(cè)定值來(lái)評(píng)價(jià)空氣質(zhì)量的好壞，然而由于各國(guó)之間的計(jì)算方式有所不同，這個(gè)指數(shù)并沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。維基百科上關(guān)于 空氣質(zhì)量指數(shù) 的詞條對(duì)此給出了一個(gè)概述。我們學(xué)校則以 美國(guó)環(huán)境保護(hù)協(xié)會(huì) Environment Protection Agency （EPA）建立的分類法來(lái)作為依據(jù)。

空氣質(zhì)量指數(shù)

測(cè)定顆粒物需要哪些準(zhǔn)備？

測(cè)定顆粒物只需要以下兩種器材：

樹(shù)莓派（款式不限，最好帶有 WiFi）
SDS011 顆粒物傳感器

　　顆粒物傳感器

　　如果是只帶有 Micro USB 的樹(shù)莓派 Zero W，那還需要一根連接到標(biāo)準(zhǔn) USB 端口的適配線，只需要 20 美元，而傳感器則自帶適配串行接口的 USB 適配器。

　　安裝過(guò)程

　　對(duì)于樹(shù)莓派，只需要下載對(duì)應(yīng)的 Raspbian Lite 鏡像并且 寫(xiě)入到 Micro SD 卡 上就可以了（網(wǎng)上很多教程都有介紹如何設(shè)置 WLAN 連接，我就不細(xì)說(shuō)了）。

　　如果要使用 SSH，那還需要在啟動(dòng)分區(qū)建立一個(gè)名為 ssh 的空文件。樹(shù)莓派的 IP 通過(guò)路由器或者 DHCP 服務(wù)器獲取，隨后就可以通過(guò) SSH 登錄到樹(shù)莓派了（默認(rèn)密碼是 raspberry）：

　　$ ssh pi@192.168.1.5

　　首先我們需要在樹(shù)莓派上安裝一下這些包：

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

　　在開(kāi)始之前，我們可以用 dmesg 來(lái)獲取 USB 適配器連接的串行接口：

　　$ 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 。然后我們需要寫(xiě)一個(gè) Python 腳本來(lái)讀取傳感器的數(shù)據(jù)并以 JSON 格式存儲(chǔ)，在通過(guò)一個(gè) HTML 頁(yè)面就可以把數(shù)據(jù)展示出來(lái)了。

　　在樹(shù)莓派上讀取數(shù)據(jù)

　　首先創(chuàng)建一個(gè)傳感器實(shí)例，每 5 分鐘讀取一次傳感器的數(shù)據(jù)，持續(xù) 30 秒，這些數(shù)值后續(xù)都可以調(diào)整。在每?jī)纱螠y(cè)定的間隔，我們把傳感器調(diào)到睡眠模式以延長(zhǎng)它的使用壽命（廠商認(rèn)為元件的壽命大約 8000 小時(shí)）。

　　我們可以使用以下命令來(lái)下載 Python 腳本：

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

　　另外還需要執(zhí)行以下兩條命令來(lái)保證腳本正常運(yùn)行：

　　$ sudo chown pi:pi /var/www/html/

　　$ echo ‘［］’ 》 /var/www/html/aqi.json

　　下面就可以執(zhí)行腳本了：

　　$ 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

　　…

　　自動(dòng)化執(zhí)行腳本

　　只需要使用諸如 crontab 的服務(wù)，我們就不需要每次都手動(dòng)啟動(dòng)腳本了。按照以下命令打開(kāi) crontab 文件：

　　$ crontab -e

　　在文件末尾添加這一行：

　　@reboot cd /home/pi/ && 。/aqi.py

　　現(xiàn)在我們的腳本就會(huì)在樹(shù)莓派每次重啟后自動(dòng)執(zhí)行了。

　　展示顆粒物測(cè)定值和空氣質(zhì)量指數(shù)的 HTML 頁(yè)面

　　我們?cè)谇懊嬉呀?jīng)安裝了一個(gè)輕量級(jí)的 web 服務(wù)器 lighttpd ，所以我們需要把 HTML、JavaScript、CSS 文件放置在 /var/www/html 目錄中，這樣就能通過(guò)電腦和智能手機(jī)訪問(wèn)到相關(guān)數(shù)據(jù)了。執(zhí)行下面的三條命令，可以下載到對(duì)應(yīng)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，實(shí)現(xiàn)了打開(kāi) JSON 文件、提取數(shù)據(jù)、計(jì)算空氣質(zhì)量指數(shù)的過(guò)程，隨后頁(yè)面的背景顏色將會(huì)根據(jù) EPA 的劃分標(biāo)準(zhǔn)而變化。

　　你只需要用瀏覽器訪問(wèn)樹(shù)莓派的地址，就可以看到當(dāng)前顆粒物濃度值等數(shù)據(jù)了： http://192.168.1.5：

　　這個(gè)頁(yè)面比較簡(jiǎn)單而且可擴(kuò)展，比如可以添加一個(gè)展示過(guò)去數(shù)小時(shí)歷史數(shù)據(jù)的表格等等。

　　這是 Github上的完整源代碼 。

　　總結(jié)

　　在資金相對(duì)緊張的情況下，樹(shù)莓派是一種選擇。除此以外，還有很多可以用來(lái)測(cè)定顆粒物的應(yīng)用，包括室外固定裝置、移動(dòng)測(cè)定設(shè)備等等。我們學(xué)校則同時(shí)采用了這兩種：固定裝置在室外測(cè)定全天顆粒物濃度，而移動(dòng)測(cè)定設(shè)備在室內(nèi)檢測(cè)空調(diào)過(guò)濾器的效果。

　　Luftdaten.info 提供了一個(gè)如何設(shè)計(jì)類似的傳感器的介紹，其中的軟件效果出眾，而且因?yàn)樗鼪](méi)有使用樹(shù)莓派，所以硬件更是小巧。

　　對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)一個(gè)顆粒物傳感器確實(shí)算得上是一個(gè)優(yōu)秀的課外項(xiàng)目。

　　你又打算如何使用你的 樹(shù)莓派 呢？