車載空氣智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

莫肇磊，陳俊丞，黃歡歡，黃瑩瑩，熊愛民

（華南師范大學(xué)，廣東廣州，510631）

車載空氣智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

莫肇磊，陳俊丞，黃歡歡，黃瑩瑩，熊愛民

（華南師范大學(xué)，廣東廣州，510631）

對(duì)車載空氣智能監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了研制。通過氣體檢測(cè)采集模塊、主控嵌入式模塊和藍(lán)牙通訊接口模塊等硬件設(shè)計(jì)，成功對(duì)車內(nèi)空氣PM2.5、煙霧、一氧化碳進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并實(shí)施相應(yīng)控制處理，且系統(tǒng)可實(shí)時(shí)同步到車載平板電腦及移動(dòng)終端上。系統(tǒng)實(shí)用性好，具有潛在市場(chǎng)價(jià)值。

車載空氣；智能監(jiān)控；報(bào)警聯(lián)動(dòng)；同步顯示；PM2.5；樹莓派

引言

日前，車內(nèi)空氣質(zhì)量指標(biāo)逐漸受到人們關(guān)注和重視。有關(guān)研究表明：汽車內(nèi)的粉塵微粒含量是家居和辦公室的10倍。為了早期發(fā)現(xiàn)和通報(bào)有害煙霧，防止和減少危害，保護(hù)人身和財(cái)產(chǎn)安全，本項(xiàng)目致力于建立一套車載空氣智能監(jiān)控報(bào)警及聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)[1-4]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖及設(shè)計(jì)原理

研究車載空氣智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與構(gòu)建，其中包括系統(tǒng)硬件與軟件兩部分。工作原理是：通過MQ-7（一氧化碳傳感器）、MQ-2（煙霧傳感器）等氣體傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、嵌入式控制系統(tǒng)通過軟件計(jì)算分析處理后得到車內(nèi)煙霧、PM2.5及一氧化碳信息（包括種類、濃度、所達(dá)等級(jí)），同時(shí)將這些信息傳遞（主要指?jìng)魉椭淋囕d顯示屏、移動(dòng)手機(jī)終端上），并實(shí)現(xiàn)報(bào)警、聯(lián)動(dòng)相關(guān)車內(nèi)設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)處理，如開窗、啟?？照{(diào)、開啟空氣凈化等，保證車內(nèi)人員環(huán)境安全。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件系統(tǒng)包括氣體檢測(cè)采集模塊、主控嵌入式模塊、顯示模塊和藍(lán)牙通訊接口模塊等。

2.1 氣體檢測(cè)采集模塊

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)采用MQ系列氣體傳感器模塊進(jìn)行氣體檢測(cè)及數(shù)據(jù)采集。電路如圖2所示。其中，利用MQ-2型煙霧傳感器實(shí)現(xiàn)車內(nèi)小范圍PM2.5監(jiān)測(cè)。MQ-2型煙霧傳感器是由二氧化錫氣敏材料構(gòu)成的，屬于表面離子式N型半導(dǎo)體。當(dāng)處于200～300℃時(shí)，二氧化錫吸附空氣中的氧，形成氧的負(fù)離子吸附，使半導(dǎo)體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當(dāng)與煙霧接觸時(shí)，晶粒間界處的勢(shì)壘受到該煙霧的影響而改變表面電導(dǎo)率，即可以判定煙霧存在的信息。

圖2 MQ系列氣體傳感器模塊原理圖

MQ-2氣敏元件由三氧化二鋁（Al2O3）陶瓷管、二氧化錫（SnO2）氣體敏感層，以及測(cè)量電極和加熱器組成，整體固定封裝在塑料或不銹鋼的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了合適溫度。封裝好的氣敏元件共6只管腳，其中4只為信號(hào)取出，2只為連接加熱電流輸入。相關(guān)特性曲線如圖3所示。其中，溫度：20℃；相對(duì)濕度：65%；氧氣濃度：21%；RL＝5 kΩ；Rs：元件在不同氣體、不同濃度下的電阻值；R0：元件在潔凈空氣中的電阻值。

圖3 MQ-2型氣敏元件的靈敏度特性對(duì)應(yīng)表

同時(shí)，本系統(tǒng)選用MQ-7型敏感元件傳感器實(shí)現(xiàn)一氧化碳的檢測(cè)，它是采用在清潔空氣中電導(dǎo)率低的二氧化錫材料，通過高低溫循環(huán)檢測(cè)方式實(shí)現(xiàn)測(cè)量：首先在高溫（5.0 V加熱）條件下清洗低溫時(shí)吸附的雜散氣體；再在低溫（1.5 V加熱）條件下檢測(cè)一氧化碳。傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中一氧化碳?xì)怏w濃度增加而增大，故增加外圍電路即可測(cè)量其電導(dǎo)率的變化，根據(jù)數(shù)據(jù)表格換算，可轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)值。其相關(guān)特性曲線如圖4所示。其中，Rs：傳感器在不同濃度氣體中的電阻值；Ro：傳感器在1 000 ppm氫氣中的電阻值。

綜上，MQ-X系列氣體探測(cè)器具有體積小、價(jià)格低、靈敏度高、響應(yīng)快、使用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，同時(shí)抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)探范圍廣、使用壽命也長(zhǎng)，非常適合車載內(nèi)部小范圍氣體檢測(cè)。

圖4 MQ-7型氣敏元件的靈敏度特性對(duì)應(yīng)表

2.2 主控嵌入式模塊

本系統(tǒng)采用嵌入式開發(fā)板“樹莓派”作為試驗(yàn)。該核心控制器性價(jià)比高，其系統(tǒng)基于Linux平臺(tái)。DC 5V供電，SD卡存儲(chǔ)，音視頻功能齊備，非常方便。樹莓派基本配置有：26個(gè)普通輸入和輸出引腳，其中有8個(gè)引腳既可作為輸入管腳也可作為輸出管腳，非常靈活。另外，樹莓派還有二線I2C、四線SPI和UART各一個(gè)。其中I2C和SPI接口也可作為普通端口使用。使用WiringPi中的軟件模塊可以輕松地應(yīng)用AD或DA芯片。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片對(duì)氣體傳感器模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣。

2.3 藍(lán)牙通訊模塊

藍(lán)牙（Bluetooth）作為一種新型短程無線擴(kuò)頻通信技術(shù)，具有低功耗、小體積、開放性和互操作性良好等特點(diǎn)。

本系統(tǒng)藍(lán)牙模塊采用英國(guó)CSR公司的BC417芯片，與SST公司的8M FLASH存儲(chǔ)芯片39VF800A構(gòu)成了通信模塊組，如圖5所示。此模塊的主要參數(shù)特點(diǎn)有：

（1）采用CSR藍(lán)牙芯片，符合藍(lán)牙V2.0技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；

（2）使用3.3～5 V電源，串口模塊上自帶RS232及TTL接口，可任選其一；

（3）芯片采用向前糾錯(cuò)編碼方式，自動(dòng)跳頻，抗干擾能力強(qiáng)，通信效率較高；

（4）波特率為從1 200 bps到最高1 382 400 bps，可在程序中根據(jù)實(shí)際需要任意設(shè)置，非常方便；

（5）芯片工作電流約40 mA，休閑時(shí)可設(shè)定休眠模式，此時(shí)電流小于1 mA，非常省電；

（6）藍(lán)牙芯片沒有傳輸方向限制。

圖5 藍(lán)牙模塊原理圖

配對(duì)后作為全雙工串口使用，但僅支持的通信格式是：8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無奇偶校驗(yàn)位。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用App Inventor開發(fā)顯示空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的軟件APP。

系統(tǒng)中使用藍(lán)牙模塊組件通信，收發(fā)空氣檢測(cè)信息，并在移動(dòng)終端的APP上實(shí)時(shí)顯示出來。App Inventor 2提供了兩個(gè)藍(lán)牙通信組件：藍(lán)牙客戶端、藍(lán)牙服務(wù)器，配合使用可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的即時(shí)通信功能。APP主要實(shí)現(xiàn)兩部分功能，一是實(shí)時(shí)接收空氣檢測(cè)模塊發(fā)來的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行顯示、報(bào)警等處理；二是通過指令對(duì)車內(nèi)設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，如車窗開啟、空氣凈化器開啟、空調(diào)啟停等。指令模式有自動(dòng)智能模式和直接控制模式兩種。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)的車載空氣智能監(jiān)控系統(tǒng)提高了車內(nèi)人員呼吸安全性，可通過移動(dòng)終端擴(kuò)展到遠(yuǎn)程監(jiān)控，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)快速反應(yīng)和實(shí)用性，具有潛在的市場(chǎng)價(jià)值。

[1]成潔, 盧紫毅. Linux窗口程序設(shè)計(jì): Qt4精彩實(shí)例分析[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2008.

[2]李新榮, 曲鳳娟. ARM 9嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2011.

[3]丁男, 馬洪連. 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)教程: 第3版[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2016.

[4]黃英來, 田仲富, 孫曉芳, 等. 嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用開發(fā)教程: 第2版[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2016.

Design of Intelligent Monitoring System for Air Automobile

MO Zhao-lei, CHEN Jun-cheng, HUANG Huan-huan, HUANG Ying-ying, XIONG Ai-min
(South China Normal University, Guangzhou, Guangdong,510631, China)

Development of intelligent air monitoring system for automobile is carried out. Through hardware design on gas detection and acquisition module, main embedded control module and Bluetooth communication interface module, PM2.5, smoke, carbon monoxide of air inside the automobile are successfully monitored and processed under corresponding controls, for real-time synchronization to the automobile tablet and mobile terminal. The system has a good practicability and great potential market value.

Air Automobile; Intelligent Monitoring; Alarm Linkage; Synchronized Display; PM2.5; Rraspberry Pi

U672.7+4

A

2095-8412 (2016) 06-1252-03

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.06.054

莫肇磊(1996-)，男，廣東湛江人，本科就讀于華南師范大學(xué)。研究方向：通信工程。