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使用兩個簡單的硬件設(shè)備和幾行代碼構(gòu)建一個空氣質(zhì)量探測器。

我們在東南亞的學(xué)校定期測定空氣中的顆粒物。這里的測定值非常高，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空氣質(zhì)量產(chǎn)生了不利的影響。我將會在這篇文章中展示如何使用樹莓派來測定顆粒物。 

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呼吸系統(tǒng)造成影響，因此顆粒越小，對人的健康危害越大。

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，日均 PM10 不高于 50 µg/m³
• 不允許超標(biāo)時，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)國家的標(biāo)準(zhǔn)的，例如歐盟對于 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)是按照顆粒物的測定值來評價空氣質(zhì)量的好壞，然而由于各國之間的計算方式有所不同，這個指數(shù)并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。維基百科上關(guān)于空氣質(zhì)量指數(shù)的詞條對此給出了一個概述。我們學(xué)校則以美國環(huán)境保護(hù)協(xié)會Environment Protection Agency（EPA）建立的分類法來作為依據(jù)。

空氣質(zhì)量指數(shù) 

測定顆粒物需要哪些準(zhǔn)備？

測定顆粒物只需要以下兩種器材：

• 樹莓派（款式不限，***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。

安裝過程

對于樹莓派，只需要下載對應(yīng)的 Raspbian Lite 鏡像并且寫入到 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)說了）。

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

$ ssh pi@192.168.1.5

首先我們需要在樹莓派上安裝一下這些包：

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

在開始之前，我們可以用 dmesg 來獲取 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***一行，可以看到接口 ttyUSB0。然后我們需要寫一個 Python 腳本來讀取傳感器的數(shù)據(jù)并以 JSON 格式存儲，在通過一個 HTML 頁面就可以把數(shù)據(jù)展示出來了。 

在樹莓派上讀取數(shù)據(jù)

首先創(chuàng)建一個傳感器實(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。在每兩次測定的間隔，我們把傳感器調(diào)到睡眠模式以延長它的使用壽命（廠商認(rèn)為元件的壽命大約 8000 小時）。

我們可以使用以下命令來下載 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啟動腳本了。按照以下命令打開 crontab 文件：

$ crontab -e

在文件末尾添加這一行：

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

現(xiàn)在我們的腳本就會在樹莓派每次重啟后自動執(zhí)行了。 

展示顆粒物測定值和空氣質(zhì)量指數(shù)的 HTML 頁面

我們在前面已經(jīng)安裝了一個輕量級的 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，這樣就能通過電腦和智能手機(jī)訪問到相關(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 JSON 文件、提取數(shù)據(jù)、計算空氣質(zhì)量指數(shù)的過程，隨后頁面的背景顏色將會根據(jù) EPA 的劃分標(biāo)準(zhǔn)而變化。

你只需要用瀏覽器訪問樹莓派的地址，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:

這個頁面比較簡單而且可擴(kuò)展，比如可以添加一個展示過去數(shù)小時歷史數(shù)據(jù)的表格等等。

這是Github上的完整源代碼。 

總結(jié)

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

Luftdaten.info 提供了一個如何設(shè)計類似的傳感器的介紹，其中的軟件效果出眾，而且因為它沒有使用樹莓派，所以硬件更是小巧。

對于學(xué)生來說，設(shè)計一個顆粒物傳感器確實(shí)算得上是一個優(yōu)秀的課外項目。

你又打算如何使用你的樹莓派呢？