空气颗粒物浓度数据采集方案
方案详情
上周五夜里的一场大风带来新一轮寒潮的同时，也带走了近一周的重度雾霾。生活在帝都的人们都在盼望着北风的到来，因为北风会吹散雾霾，因为北风会带来清新的空气。很多人起床第一件事情是拿起手机，打开天气APP，看看今天的“气质”如何，从而决定是否要戴上防护装备出门。
北京空气质量查询
查询空气质量的时候，我们经常会发现，有些时候明明外面已经灰蒙蒙的一片了，APP的空气指数却显示的是优；有些时候大风吹散了浓雾，APP却显示重度污染。出现这种情况的原因主要有两个，一是数据发布的最小时间间隔是1小时，这个时间差造成了指数与实际情况不符；二是检测站点与当前所在的位置距离较远，两地的空气质量当然也存在区别。那如何得到我所在位置的实时空气质量情况呢？作为一个处女座的理工男，不弄清楚这个问题一定是不开心的，所以基于Smacq的数据采集卡和夏普的传感器我做一套空气颗粒物浓度检测装置。
空气颗粒物浓度趋势图
说了这么多，先上一张图。这是这套装置从3月2日15：30分开始采集的67个小时空气颗粒物浓度趋势图，图中数值是每分钟的平均值，采集位置在昌平区沙河科技园。通过这组数据可以很容易看出来几个信息：
1、这次雾霾的整体趋势是越来越重，最大值出现在3月4日的18：33分，随后就开始消散，可见黎明前是最黑暗的；
2、大风刮起后，雾霾消散的速度很快，图中陡降的过程只经历了20多分钟，因此APP给出的空气质量指数会延后，下图是陡降过程的展开图；
3、虽然只有三天的数据，但是还是可以清楚的发现，每天0点左右都会存在一个相对峰值，这与柴静的《穹顶之下》里面所提到的，北京每天0点左右的雾霾峰值刚好吻合。
看到这里，大家应该会发现一个问题，图中的幅值坐标与我们平时看的空气指标不一样，这就要从我们所使用的传感器说起。这套系统中使用的是夏普的紧凑型光学粉尘传感器。
空气颗粒物浓度趋势图
这个传感器的原理简单来说，就是一个发光管，一个感光管，如果两者之间有颗粒物挡着光，就会影响到感光管的输出电压，从而由电压反应出空气中颗粒物的浓度。由于传感器没有拿到相关部门计量标定，本着严谨的态度，所有的数量都使用电压值来反映颗粒物浓度。
传感器原理图
这个传感器的原理简单来说，就是一个发光管，一个感光管，如果两者之间有颗粒物挡着光，就会影响到感光管的输出电压，从而由电压反应出空气中颗粒物的浓度。由于传感器没有拿到相关部门计量标定，本着严谨的态度，所有的数量都使用电压值来反映颗粒物浓度。
USB系列数据采集卡
Smacq的USB系列数据采集卡的AO输出性能如下表
以100kSa/s的采样率，输出0.32ms的低电平需要32个点，输出10ms的周期需要1000个点，所以高电平是968个点，LabVIEW程序框图如下图
脉冲输出程序框图
传感器的输出波形也是一个脉冲信号，输出信号的频率与控制信号频率一致，电压最大值即是传感器的输出值。这样每秒钟可以得到100个输出数据。下图是控制信号波形和传感器输出波形图。
传感器控制信号和输出信号
颗粒物浓度在短时间内的变化是非常快的，快速变化的数据对于长时间的分析统计却又很不方便，所以这里我们将每6000个数据求平均值，得到每分钟的平均颗粒物浓度值，即本文最初我们看到的趋势图。
通过实验可以看出来在没有北风的日子里雾霾会越来越重。雾霾天里，出门带个口罩是很有必要的，最后一张图是新的口罩和带了一周的口罩对比。
