Arduino + 灰尘传感器实现空气质量检测

上周，传感数据存储项目中期答辩结束。之前实验一直在用DHT11记录温湿度到树莓派，显然记录速度慢，模拟传输量难以达到树莓派IO上限，于是开始尝试转用灰尘传感器...

淘了一块夏普的GP2Y1010AU0F，这是一款光学空气质量传感器，价格30软妹左右，为本文实验用传感器，下文称其为GP2Y。GP2Y读数快，直接产生模拟电压，其值与粉尘浓度成正比，可测量0.8μm以上的微小粒子。

注意:本文讨论的为广义的空气质量测量并非PM2.5值测量。

空气质量指数（AQI）

1.空气动力学直径（以下简称直径）直径小于或等于2.5微米的颗粒物称为细颗粒物（PM2.5）。[[来源：维基百科]][1]

2.GP2Y测量的是>=0.8um粒子浓度( μg/m³ )，而PM2.5指数则计算 <=2.5μm 粒子浓度( μg/m³ )，所以测量值并不能准确反映当地的空气质量指数（AQI）。

3.AQI值换算过于复杂，需测量SO2、NO2、PM10、PM2.5、O3、CO等六项值，再分别换算成空气质量分指数（IAQI），最后最求各项分指数最大值作为空气质量指数（AQI）。[[来源：维基百科]][2]

传感器规格

电源电压：5-7V
工作温度：-10-65摄氏度
消耗电流：20mA最大
最小粒子检出值：0.8微米
灵敏度：0.5V/(0.1mg/m3)
清洁空气中电压：0.9V 典型值

检测原理

其原理如下图，传感器中心有个洞可以让空气自由流过，其内部对角安放着红外线发光二极管和光电晶体管，定向发射LED光，通过检测经过空气中灰尘折射过后的光线来判断灰尘的含量，即使非常细小的如烟草烟雾颗粒也能够被检测到，通常在空气净化系统中应用。

硬件连接

Sharp pin 1 (V-LED) => 5V 串联1个 150欧姆的电阻（最好在电阻一侧和GND之间再串联一个 220uf的电容）
Sharp pin 2 (LED-GND) => GND 接地
Sharp pin 3 (LED) => Arduino PIN 2 （开关LED）
Sharp pin 4 (S-GND) => GND 接地
Sharp pin 5 (Vo) => Arduino A0 pin （空气质量数据通过电压模拟信号输出）
Sharp pin 6 (Vcc) => 5V

Arduino代码

Version 1 输出 - 电压 - >=0.8μm粒子浓度（ μg/m3 ）

int measurePin = 0; //Connect dust sensor to Arduino A0 pin
int ledPower = 2;   //Connect 3 led driver pins of dust sensor to Arduino D2
  
int samplingTime = 280;
int deltaTime = 40;
int sleepTime = 9680;
  
float voMeasured = 0;
float calcVoltage = 0;
float dustDensity = 0;
  
void setup(){
  Serial.begin(9600);
  pinMode(ledPower,OUTPUT);
}
  
void loop(){
  digitalWrite(ledPower,LOW); // power on the LED
  delayMicroseconds(samplingTime);
  
  voMeasured = analogRead(measurePin); // read the dust value
  
  delayMicroseconds(deltaTime);
  digitalWrite(ledPower,HIGH); // turn the LED off
  delayMicroseconds(sleepTime);
  
  // 0 - 5V mapped to 0 - 1023 integer values
  // recover voltage
  calcVoltage = voMeasured * (5.0 / 1024.0);
  
  // linear eqaution taken from http://www.howmuchsnow.com/arduino/airquality/
  // Chris Nafis (c) 2012
  dustDensity = 0.17 * calcVoltage - 0.1; //得出浓度( mg/m³ )
  
  Serial.print("Raw Signal Value (0-1023): ");
  Serial.print(voMeasured);
  
  Serial.print(" - Voltage: ");
  Serial.print(calcVoltage);
  
  Serial.print(" - Dust Density: ");
  Serial.print(dustDensity * 1000); // 这里使用更为广泛的单位( μg/m3 )
  Serial.println(" μg/m³ ");
  delay(1000);
}

Version 2 输出 (dustVal/1024)-0.0356) 120000 0.035 模拟值

int dustPin=0;
float dustVal=0;
int ledPower=2;
int delayTime=280;
int delayTime2=40;
float offTime=9680;

void setup(){
Serial.begin(9600);
pinMode(ledPower,OUTPUT);
pinMode(dustPin, INPUT);
}
 
void loop(){
// ledPower is any digital pin on the arduino connected to Pin 3 on the sensor
digitalWrite(ledPower,LOW); 
delayMicroseconds(delayTime);
dustVal=analogRead(dustPin); 
delayMicroseconds(delayTime2);
digitalWrite(ledPower,HIGH); 
delayMicroseconds(offTime);
 
delay(1000);
if (dustVal>36.455)
Serial.println((float(dustVal/1024)-0.0356)*120000*0.035);
}

version 2 - 测得数据与空气质量对照：
3000 + = 很差
1050-3000 = 差
300-1050 = 一般
150-300 = 好
75-150 = 很好
0-75 = 非常好