树莓派4B加微雪2.13寸墨水屏怎样监测pm2.5信息

发布时间：2021-11-19 18:32:53 作者：柒染
来源：亿速云阅读：184

# 树莓派4B加微雪2.13寸墨水屏怎样监测PM2.5信息

## 一、项目概述

### 1.1 背景与意义
随着环境污染问题日益严重，空气质量监测成为公众关注的焦点。PM2.5作为空气污染的重要指标，其实时监测对健康防护具有重要意义。本项目利用树莓派4B和微雪2.13寸墨水屏搭建低成本、低功耗的PM2.5监测系统，具有以下优势：
- 实时显示空气质量数据
- 超低功耗（墨水屏仅在刷新时耗电）
- 可扩展性强（支持接入更多传感器）
- 适合家庭/办公室场景部署

### 1.2 硬件组成
| 组件 | 型号 | 备注 |
|------|------|------|
| 主控板 | 树莓派4B | 推荐4GB内存版本 |
| 显示屏 | 微雪2.13寸墨水屏 | 型号：Waveshare 2.13inch e-Paper HAT |
| PM2.5传感器 | 攀藤PMS5003 | 激光散射原理，精度±10% |
| 连接线 | GPIO杜邦线 | 用于传感器连接 |
| 电源 | 5V3A Type-C电源 | 保证稳定供电 |

## 二、硬件连接

### 2.1 墨水屏连接
微雪2.13寸墨水屏通过PH2.0-8PIN接口与树莓派GPIO直连：

墨水屏引脚 -> 树莓派GPIO VCC -> 3.3V GND -> GND DIN -> MOSI (GPIO10) CLK -> SCLK (GPIO11) CS -> CE0 (GPIO8) DC -> GPIO25 RST -> GPIO17 BUSY -> GPIO24


### 2.2 PM2.5传感器连接
攀藤PMS5003采用UART通信：

传感器引脚 -> 树莓派GPIO VCC -> 5V GND -> GND RX -> TX (GPIO14) TX -> RX (GPIO15) SET -> 可悬空 RESET -> 可连接GPIO控制


> **注意**：需在树莓派设置中启用UART接口：
> ```bash
> sudo raspi-config
> ```
> 选择 `Interfacing Options` -> `Serial` -> 禁用登录shell/启用硬件串口

## 三、软件环境配置

### 3.1 系统准备
推荐使用Raspberry Pi OS Lite版本：
```bash
# 更新系统
sudo apt update && sudo apt upgrade -y

# 安装必要组件
sudo apt install python3-pip git libopenjp2-7 libtiff5

3.2 安装墨水屏驱动

从微雪官方获取驱动库：

git clone https://github.com/waveshare/e-Paper.git
cd e-Paper/RaspberryPi_JetsonNano/python
sudo pip3 install .

3.3 PM2.5传感器库安装

sudo pip3 install pms5003

四、核心代码实现

4.1 PM2.5数据采集

创建pm25_reader.py：

import serial
from pms5003 import PMS5003

def get_pm_data():
    pms = PMS5003(
        device='/dev/ttyAMA0',
        baudrate=9600,
        pin_enable=22,
        pin_reset=27
    )
    data = pms.read()
    return {
        'pm1_0': data.pm_ug_per_m3(1.0),
        'pm2_5': data.pm_ug_per_m3(2.5),
        'pm10': data.pm_ug_per_m3(10)
    }

4.2 墨水屏显示模块

创建eink_display.py：

from waveshare_epd import epd2in13_V2
from PIL import Image, ImageDraw, ImageFont

class EinkDisplay:
    def __init__(self):
        self.epd = epd2in13_V2.EPD()
        self.epd.init(self.epd.FULL_UPDATE)
        self.font = ImageFont.truetype('DejaVuSans.ttf', 14)
    
    def show_pm_data(self, data):
        image = Image.new('1', (self.epd.height, self.epd.width), 255)
        draw = ImageDraw.Draw(image)
        
        # 绘制空气质量指数
        draw.text((10, 10), f"PM2.5: {data['pm2_5']} μg/m³", font=self.font, fill=0)
        
        # 添加空气质量评价
        status = self._get_air_status(data['pm2_5'])
        draw.text((10, 40), f"空气质量: {status}", font=self.font, fill=0)
        
        # 显示更新时间
        from datetime import datetime
        draw.text((10, 70), f"更新: {datetime.now().strftime('%H:%M')}", font=self.font, fill=0)
        
        self.epd.display(self.epd.getbuffer(image))
    
    def _get_air_status(self, pm25):
        if pm25 <= 35: return "优"
        elif pm25 <= 75: return "良"
        elif pm25 <= 115: return "轻度污染"
        else: return "污染严重"

4.3 主程序整合

创建main.py：

import time
from pm25_reader import get_pm_data
from eink_display import EinkDisplay

def main():
    display = EinkDisplay()
    
    while True:
        try:
            data = get_pm_data()
            display.show_pm_data(data)
            time.sleep(300)  # 5分钟更新一次
        except Exception as e:
            print(f"Error: {e}")
            time.sleep(60)

if __name__ == "__main__":
    main()

五、系统优化与部署

5.1 降低功耗方案

调整刷新频率：墨水屏仅在数据变化时刷新
传感器间歇工作：修改PMS5003为每5分钟唤醒一次
CPU降频：对树莓派进行电源优化

sudo apt install cpufrequtils
echo 'GOVERNOR="conservative"' | sudo tee /etc/default/cpufrequtils
sudo systemctl restart cpufrequtils

5.2 外壳设计与安装

推荐使用3D打印外壳，设计要点： - 预留传感器进气孔 - 确保显示屏可视角度 - 考虑散热需求（树莓派4B发热较大）

5.3 数据持久化记录

添加SQLite数据库支持：

import sqlite3
from datetime import datetime

def save_to_db(data):
    conn = sqlite3.connect('air_quality.db')
    c = conn.cursor()
    c.execute('''CREATE TABLE IF NOT EXISTS pm_data
                 (timestamp TEXT, pm1_0 REAL, pm2_5 REAL, pm10 REAL)''')
    c.execute("INSERT INTO pm_data VALUES (?,?,?,?)", 
             (datetime.now().isoformat(), data['pm1_0'], data['pm2_5'], data['pm10']))
    conn.commit()
    conn.close()

六、常见问题解决

6.1 传感器读数异常

现象：持续返回0或最大值
解决方案：
1. 检查UART连接是否松动
2. 确认传感器风扇正常运转
3. 尝试重置传感器引脚

6.2 墨水屏显示残影

现象：刷新后留有上次内容痕迹
解决方案：

# 在显示代码前加入全刷清除
epd.init(epd.FULL_UPDATE)
epd.Clear(0xFF)

6.3 系统自动启动

配置systemd服务实现开机自启：

sudo nano /etc/systemd/system/pm25_monitor.service

添加以下内容：

[Unit]
Description=PM2.5 Monitor Service
After=network.target

[Service]
ExecStart=/usr/bin/python3 /home/pi/main.py
WorkingDirectory=/home/pi
User=pi
Restart=always

[Install]
WantedBy=multi-user.target

启用服务：

sudo systemctl enable pm25_monitor
sudo systemctl start pm25_monitor

七、项目扩展方向

7.1 添加WiFi数据上传

通过MQTT协议上传到Home Assistant：

import paho.mqtt.publish as publish

def upload_to_mqtt(data):
    auth = {'username':"pi", 'password':"raspberry"}
    publish.single("home/air/pm25", data['pm2_5'], hostname="192.168.1.100", auth=auth)

7.2 多传感器集成

可扩展连接： - 温湿度传感器（DHT22） - CO2传感器（MH-Z19） - 甲醛传感器（ZE08-CH2O）

7.3 可视化历史数据

使用Grafana创建仪表盘：

docker run -d -p 3000:3000 --name=grafana grafana/grafana

结语

本项目展示了如何利用树莓派4B和微雪墨水屏构建实用的PM2.5监测系统。通过合理的硬件选型和软件设计，实现了低功耗、高可读性的空气质量显示方案。读者可根据实际需求进行功能扩展，如添加报警阈值、联网数据共享等功能，打造更加智能的环境监测设备。 “`

注：实际使用时建议： 1. 根据具体硬件型号调整引脚连接 2. 定期清洁PM2.5传感器进气口 3. 在干燥环境中使用（墨水屏对湿度敏感） 4. 完整代码可参考项目仓库：示例GitHub链接