阳春三月，我国大部分地区进入大回暖模式，此时是人们最易患花粉过敏症的季节。花粉过敏症，又叫“季节性变应性鼻炎”，这种症状的发病率很高，却由极少数的花粉引起，花粉之所以会引起人体过敏，主要是由于花粉颗粒携带了能引起过敏的抗原决定簇。近年来，中国花粉过敏症的发病率不断升高，从4个月大的婴儿到60岁以上的老年人都出现过敏病例，患病人群大约超过2亿。对于花粉过敏的人士，有不少困扰，在各种公众场合都需佩戴口罩；花粉季发作时，用药控制；尽量少去野外郊游。
毋庸置疑的是，花粉过敏症给易过敏人群带来了长时间佩戴口罩的体验。每年有两个花粉过敏症高发季：第一个是春天，第二个是夏秋季。相对来说，春季花粉症症状较轻，出现哮喘的概率仅约5%；而夏秋季持续时间更长，有时会长达两个月之久，症状更重，可能有50%的病人会出现哮喘。花粉又分为虫媒花粉和风媒花粉。花粉过敏主要是因为风媒花粉，由于花粉小到肉眼看不见，接触和吸入后很容易致敏。
据《解放日报》，2020年底，上海区域绿地和立体绿网建设稳步推进，4038公顷的外环绿带全面建成。全市累计新建绿地逾6000公顷，建成区绿化覆盖率达到40%。全市新增立体绿化约206.3万平方米，总量达到474.1万平方米。随着绿化覆盖率的提高，过敏人数也不断增加。
基于上述问题，本课题拟提出一款可以检测花粉含量的可拆卸仪器。针对于免疫力较差的人、“高敏体质”的人，来帮助检测周围环境的花粉含量，以考虑是否需要佩戴口罩，减少人体过敏的可能性。
花粉检测仪主要用于分析与过敏相关的气源性花粉的种类及浓度。气传花粉是大气环境中主要过敏原之一,其中含有大量特异性抗原物质的风媒花粉容易引起花粉症的流行。我国花粉浓度过高的标准是花粉浓度小于30粒/1000mm2，致敏性较弱，浓度大于100粒/1000mm2时，花粉浓度较高，重症患者外出应根据情况适当采取防护措施。
上海地区主要气传花粉有葎草、悬铃木属、松科、杉科、禾本科、榆属、蒿属和柳属[1]。树木类花粉是世界各国最常见的春季致敏花粉,是诱发季节性过敏性鼻炎及哮喘的主要原因之一,
尤其是过敏性鼻炎、哮喘的发病率在世界范围内逐年增加[2]。上海市全年共监测到2个花粉含量高峰,分别为3~5月和9~10月。全年气传花粉分布有明显的种属差异,树木类花粉占全部花粉计数的65.55%,莠草类及禾本科花粉占全部花粉计数的27.74%。春季以树木类花粉为主,主要为构属（45.64%）、悬铃木属（6.06%）和松科（7.86%）；而秋季以莠草类及禾本科花粉为主,主要为葎草属（59.01%）、禾本科（18.45%）和蒿属（5.32%）。总结发现上海市中心城区气传花粉的分布呈现2个高峰；构属花粉和葎草属花粉分别是上海市中心城区春、秋两季最主要的气传花粉[3]。上海市春季花粉飘散种类和数量分布特征镜检结果显示,在2010年4月的116张玻片上, 检测到的花粉总量为4007粒,分属20个种属,以桑科花粉最多(1184粒),占全月花粉数的 29.5%；以下依次为杨柳科(664粒)、松科(534粒)、 棕榈科(393粒)、桦木科(370粒)、壳斗科(244粒)、悬铃木科(181粒)、胡桃科(180粒)等。这8种花粉占全月花粉总数的93.6%，说明春季主要以木本植物花粉为主,木本植物花粉为上海市的优势花粉[4]。在国内,花粉症患者在人群中的发病率约为0.5%~1.0%，最高的发病地区可达5%。研究表明,花粉是诱发季节性过敏性鼻炎和哮喘的主要原因。在外部因素的作用下,花粉内部的细颗粒物 (subpollen particles, SPPs)会被释放出来,长期悬浮在环境中,成为PM2.5的一部分,对人群健康产生影响[5]。
北京城区春季各月优势花粉：3月为柏科（50%）、杨属（13%）和榆属（11%）,4月为悬铃木属（44%）、桑科（21%）和银杏（14%）,5月为松属（32%）、桑科（29%）和桦木属（12%）。3月过敏性鼻炎AR、过敏性结膜炎AC的就诊比例均明显高于4月和5月,且均具有统计学意义[6]。选取连翘、紫荆、洋白蜡、臭椿4种植物进行花粉监测,
4种植物的花粉飘散规律均呈“单峰型”日变化动态。在6:00~22:00中,花粉数量的最高值出现在14:00或16:00左右,最低值出现在6:00或20:00左右[7]。采用重力法研究典型天气情况下城市郊区空气中蒿属花粉的时空变化规律, 1日内上午至中午时段蒿属花粉浓度较高,蒿属植物的生理散粉时段为早6:00~8:00,下午16:00之后到凌晨4:00之间蒿属花粉浓度较低且无明显变化[8]。
上述的研究都是围绕着花粉的种类，比重等进行的。而本课题的应用场景是学生的书包。通过可以检测花粉含量的书包，让学生们及时了解是否需要佩戴口罩。可以积极的预防学生们花粉过敏状况，有利于学生们的身心健康。
本课题研究内容是设计并搭建一款可以检测花粉含量的可拆卸仪器，将其应用于书包上。灰尘传感器本体一侧开设有进气口，外部的空气通过气泵进入到近期槽的内部，在空气经过检测板时，发光元件触发光线穿过检测板顶部的空气，当空气中存在颗粒时，反射的放线会受到影响，收光元件接收到反射的光的多少可以判断出空气中存在的颗粒的数量，从而可以检测出空气中含有的花粉的数量，使学生可以远离该区域，防止学生花粉过敏。该装置提醒使用者在不同的场景下，不同的过敏源超标，并和携带者过敏源检测结果相比较，提醒使用者所在环境的花粉浓度对自己的身体产生影响。针对下表中不同的植物花粉含量是否超标，进行提醒。
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狗尾草 (狗尾草属)
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柏树 (柏木属)
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车前草(车前属)
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枝孢属
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豚草 (豚草属)
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酸模 (酸模属)
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悬铃树 (悬铃木属)
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葡萄孢属
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桦木 (桦木属)
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鸭茅 (鸭茅属)
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黄花茅 (黄花茅属)
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毛壳属
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榛子 (榛属)
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灰 (白蜡树属)
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橡树 (栎属)
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榆木 (榆属)
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鹅耳枥 (鹅耳枥属)
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松树 (松属)
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单端孢属
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本课题主要研究并设计了一种可佩戴的花粉含量检测仪，其创新点包括：
（1）采用的花粉检测仪为可拆卸式，灵活方便。
（2）该装置包括蜂鸣器，花粉含量检测仪，可以及时提醒青少年佩戴口罩，带给生活便利。
（3）书包与花粉检测仪相结合，拓宽了花粉含量检测仪的应用领域。
第二章 样机设计
2.1 设计原理
花粉和粉尘理论上都是固体颗粒，主要区别就是微粒径度的大小区别:粉尘常用粒径有微米和纳米，（1微米=1000纳米）。
雾霾大部分指的是2.5-10微米粒径的漂浮在空中的颗粒物。不同植物的花粉粒大小也不相同，大多数品种的花粉粒直径一般在15～50微米之间，最小的小于10微米，中等的25～50微米，大的50～100微米，特大的可达100微米以上，也有极个别的大于200微米。
全自动花粉监测系统BAA500配备了自动的花粉采样、花粉沉积、光学和软件处理系统。通过自动显微镜与图像分析软件包获取图像，识别率可达到80-90%。KH-3000-01作为一款全自动花粉监测设备，通过沙漏序列有效地收集花粉颗粒，并利用半导体材料的散射激光光束、粒子计数器来检测花粉的数量和在空气中的浓度，并实现数据实时输出。花粉浓度的计量结果根据1分钟任意设定时间输出。可靠性高，花粉自动检测通过测量前散射和半导体激光束的侧散射来测量和鉴别花粉。本设备用来检测烟雾和空气中的花粉，该传感器适用于多种设备，如空气或具有清洗功能的空调。
花粉检测原理如图2-1所示。通过狭缝和透镜，光从发光二极管的发光元件被缩小到如图2-2（a）图的光束。另外，由于受光元件也可能不需要光，在接收到有效光后，通过狭缝和透镜将光发散。这些光轴的交叉处在检测区域。当不存在粉尘时，会输出电压，效果如图2-2（b）和图2-2（c）图所示。当检测到不必要的光线时，即使没有粉尘，也会输出无尘（VOC）的电压。这是因为光接收元件接收到由壳体内壁的发光元件反射的光。当香烟烟雾或粉尘进入检测区域，从粉尘和烟雾颗粒接收反射光进行检测，如图2-2（c）所示。输出电流与从光接收元件获得的接收光的光量成正相关，并输出为一个模拟电压，过程如图2-9所示。
产品包括三部分，分别为书包，配置蜂鸣器，安装花粉含量检测仪。花粉含量检测仪外观尺寸：46.0mm×30.0mm×17.6mm，重量位16g，如图2-4所示。
2.3样机制造
2.3.1样机部件选择
（1）粉尘传感器
PM1006红外粉尘传感器：特殊光学系统设计，可检测室内空气中粒径0.3μm以上颗粒物浓度变化的趋势，工作条件为-20°C~75°C, 0~95%RH，产品尺寸为W46.2*H34.1*D18(mm)，出厂进行浓度标定，内置温度补偿功能，具有精度高、灵敏度好、响应速度快、功耗低、性能稳定精确等特点。
PM1003红外粉尘传感器：可检测室内空气中粒径在1μm以上颗粒物浓度数值的变化趋势；工作条件为-10°C~50°C, 0~95%RH，产品尺寸为W59*H45*D20(mm)，具有较好的一致性和稳定性。
朗净时代全自动花粉监测仪搭载光学系统，采用半导体激光的前方及侧方散射两种方式进行花粉和纤维素的判断,应用场景是工业领域。
日本进口Plair--E 激光花粉监测仪，是一种新型、快速和精确测量大气中过敏源颗粒物的设备。应用场景是花粉类型和真菌孢子领域。
通过对比几种传感器可检测颗粒大小、测试条件范围、产品尺寸及优点等方面，由于本实验所用花粉含量检测仪的应用场景为室外，所以最终选择PM1006红外粉尘传感器。
（2）单片机
51单片机和UNO单片机相比，51单片机单独针对单片机的，UNO单片机包含单片机在内及现在的物联网通讯控制都可以做，像ESP8266wifi模块，ESP32wifi蓝牙模块都直接可以用arduino来编写。UNO比51单片机更直接，其特点为：可以通过USB烧录；采用B型USB结合，坚固耐用，使用方便；增加了排针插口，可以使用杜邦线。因此，选择UNO单片机。
（3）语音提醒装置
有源蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，是内部自带振荡电路，只需电平驱动就可以发生的蜂鸣器。其程序控制方便，广泛应用于电话、手机、报警器、定时器等电子产品中作发声器件。
无源蜂鸣器利用电磁感应现象，为音圈接入交变电流后形成的电磁铁与永磁铁相吸或相斥而推动振膜发声，接入直流电只能持续推动振膜而无法产生声音，只能在接通或断开时产生声音。其内部没有振荡电源，直流信号无法时期发生，必须采用2K~5K的方波才可以发声。
对比两种蜂鸣器的特点发现有源蜂鸣器程序方便，发音条件简单，且大量应用于报警装置，因此语言提醒装置选择有源蜂鸣器。
2.3.2样机
样机包括PM1006红外粉尘传感器、UNO单片机和有源蜂鸣器。PM1006红外粉尘传感器由光学传感系统组成，该系统由一个红外发光二极管（IRED）和一个光电晶体管对角搭建。它可以检测在空气中的尘埃的反射光，尤其是它可以有效地检测到非常细的颗粒像香烟烟雾。
此外,它可以区别房屋粉尘和烟雾，输出电压的不同脉冲模式。
其产品特点:
1.体积小、便捷（46.0×30.0×17.6毫米）
2.低功耗电流（Icc:20mA最大）
3.通过一个脉冲的测光，检测到粉尘的存在
4.区别房屋的粉尘和烟雾
5.无铅兼容指令和RoHS
6.与书包相结合
仪器测量指标：
测量范围为28～35um的球形粒子，吸入空气量为4.1L/min，体积流量为1.2LPM，带有外置泵，体积流量由定流量孔口流量计来控制，额定颗粒浓度是1~20000
P/cm3。预热时间为1分钟，采样时间小于5秒，测量间隔为60秒，1分钟起的任意设定时间。I /
O接口为RS-232C，电源为AC220V（50/60Hz）50VA，工作温度为-40℃～+60℃，(室外全天候运行），工作湿度小于95%RH，防护等级为IP65。
花粉检测仪可在空气中检测到粉尘，应用于空气净化器,空调,空气监测等。工作原理如图2-10、2-11所示：
因为数据是通过pin 5的电压模拟信号输出的，而树莓派的引脚不支持模拟信号直接读取（需要增加数模转换芯片），所以先用Arduino来实验。
把传感器和Ardiuno连接好后，可以连续打印出传感器的输出电压值。输出电压大小和粉尘含量的曲线如图2-12所示：
第三章 实验测试
实验在温度为25℃的环境进行，实验花粉为松花花粉、桂花花粉和荷花花粉。实验过程如图3-1所示。
对实验数据进行分析，所得结果如图3-2所示。由图可知，三种不同花粉的分散程度呈现较大的差别，松花花粉扩散最快，在第2秒和第5秒花粉含量达到顶峰；桂花花粉含量出现两个顶峰，分别在第2秒和第4秒；荷花花粉在第4秒扩散到空气中，第5秒花粉含量达到顶峰。通过测试特定时间内花粉含量的大小，判断花粉种类，提醒人们及时佩戴口罩。
第四章 总结与展望
本课题对可拆卸检测花粉含量仪器进行了研究，目的是提供一种可以检测花粉含量的书包，通过灰尘传感器本体，外部的空气通过气泵进入到近期槽的内部，在空气经过检测板时，发光元件触发光线穿过检测板顶部的空气，当空气中存在颗粒时，反射的放线会受到影响，收光元件接收到反射的光的多少可以判断出空气中存在的颗粒的数量，从而可以检测出空气中含有的花粉的数量，使学生可以远离该区域，防止学生花粉过敏。
（1）对不同地区的花粉特点进行分析，开发出具体的针对性产品，如：上海款，北京款。
（2）开发相关APP，及时将花粉含量结果传输到手机中，使其更加便捷。
参考文献
[1]黄建花,王幼芳,沈春琳,吕森林.上海地区气传花粉的监测[J].华东师范大学学报(自然科学版),2013(02):56-62.
[2]闫雅茹,郭胤仕.上海地区常见气传树木类花粉研究进展[J].中华临床免疫和变态反应杂志,2015,9(03):222-227.
[3]孙立英,郭胤仕,王怡玮,何海娟,乔秉善,王良录,尹佳.上海中心城区气传花粉调查[J].中华临床免疫和变态反应杂志,2012,6(03):186-190.
[4]冯满,吕森林,张睿,沈春琳,黄建花,王幼芳,吴李泉,冯加良,吴明红.上海大气中花粉与颗粒物的复合污染特征[J].中国环境科学,2011,31(07):1095-1101.
[5]赵慧,彭加仙,洪强,张红莉,王伟倩,王青躍,谭正莹,周树敏,张卫,吕森林.上海春季大气颗粒物中致敏悬铃木花粉蛋白的分布特征[J].上海大学学报(自然科学版),2019,25(04):544-549.
[6]宁慧宇,王洪田,陈艳蕾,王学艳.北京城区春季花粉与过敏性疾病就诊比例分析[J].中国耳鼻咽喉头颈外科,2021,28(02):98-100+104.
[7]闫珂. 北京4种常见树种花粉飘散规律及致敏潜力分析[D].北京林业大学,2020.
[8]侯晓静,王成,郄光发,王艳英.北京郊区蒿属植物花粉浓度时空变化规律[J].东北林业大学学报,2010,38(04):77-79.
附录
Arduino 代码：
#include<SPI.h>
#include<stdlib.h>
int dustPin=0;
int ledPower=2;
int delayTime=280;
int delayTime2=40;
float offTime=9680;
int dustVal=0;
int i=0;
float ppm=0;
chars[32];
float voltage=0;
float dustdensity=0;
float ppmpercf=0;
Void setup(){
Serial.begin(9600);
pinMode(ledPower,OUTPUT);
delay(1000);
i=0;
ppm=0;
}
void loop(){
i=i+1;
digitalWrite(ledPower,LOW);// power on the LED
delayMicroseconds(delayTime);
dustVal=analogRead(dustPin);// read the dust value
ppm=ppm+dustVal;
delayMicroseconds(delayTime2);
digitalWrite(ledPower,HIGH);// turn the LED off
delayMicroseconds(offTime);
voltage=ppm/i*0.0049;
dustdensity=0.17*voltage-0.1;
ppmpercf=(voltage-0.0256)*120000;
if(ppmpercf<0)
ppmpercf=0;
if(dustdensity<0)
dustdensity=0;
if(dustdensity>0.5)
dustdensity=0.5;
StringdataString="";
dataString+=dtostrf(voltage,9,4,s);
dataString+=",";
dataString+=dtostrf(dustdensity,5,2,s);
dataString+=",";
dataString+=dtostrf(ppmpercf,8,0,s);
i=0;
ppm=0;
Serial.println(dataString);
delay(1000);
}