LPC2148的室內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)測儀設(shè)計

趙 亮

(大連理工大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，大連 116024)

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趙 亮

(大連理工大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，大連 116024)

本文通過傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)以及通信技術(shù)設(shè)計了一款基于LPC2148處理器的室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對室內(nèi)的溫度、濕度、甲醛、甲烷以及PM2.5濃度檢測，并將測得的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)發(fā)送至客戶端，達到對建筑室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測的目的。經(jīng)實驗測試，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、測量精度高，具有廣闊的市場前景。

空氣品質(zhì)；氣體檢測；嵌入式系統(tǒng)；傳感器

引 言

建筑室內(nèi)環(huán)境是現(xiàn)代社會人類日常工作和休息的主要場所，據(jù)統(tǒng)計，人類有80%～90%的時間是在室內(nèi)度過的，因此，室內(nèi)空氣質(zhì)量對于人類的健康至關(guān)重要[1]。然而，近些年，由于城市化進程以及工業(yè)領(lǐng)域的快速發(fā)展，致使人類生活的環(huán)境污染日益突出。此外，由于房屋裝修材料中存在的甲醛等有害物質(zhì)引起的環(huán)境和空氣質(zhì)量問題比比皆是，給無數(shù)家庭帶來了嚴重的傷害，越來越多地引起人們的重視。據(jù)世界衛(wèi)生組織部門統(tǒng)計，目前，中國30%以上的建筑物室內(nèi)控制質(zhì)量不達標，存在有毒有害氣體，嚴重危害人們的身心健康，嚴重影響了人類健康安全[2]。另一方面，針對辦公場合，調(diào)查研究結(jié)果表明，良好的室內(nèi)空氣質(zhì)量有助于提高工作人員的工作積極性，可以提高2%～16%左右的工作效率[3-5]。

總之，無論在家庭還是在辦公場所，室內(nèi)空氣質(zhì)量極大地影響著人們的生活品質(zhì)、健康水平和生產(chǎn)效率。為此，本文通過嵌入式技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)設(shè)計了一款適用于室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測的儀器，可以實時監(jiān)測建筑物內(nèi)的甲醛(HCHO)、甲烷、PM2.5粉塵等有毒有害物質(zhì)的濃度，同時也可以監(jiān)測室內(nèi)的溫濕度等熱環(huán)境參數(shù)，并通過GPRS遠程設(shè)備傳輸?shù)接脩舻氖謾C終端，便于用戶了解室內(nèi)的空氣質(zhì)量。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 需求分析

針對上述對各種氣體以及溫濕度監(jiān)測的需求分析，本文設(shè)計的空氣質(zhì)量實時監(jiān)測儀具有如下功能：

① 溫濕度監(jiān)測功能：實時采集室內(nèi)溫度、濕度等熱環(huán)境參數(shù)，并存儲記錄，當溫濕度超出舒適度范圍內(nèi)，進行報警提示。

② 有害氣體監(jiān)測功能：實時采集室內(nèi)甲醛(HCHO)、甲烷等有害氣體濃度，當超出正常范圍值時，進行報警提示。

③ PM2.5濃度監(jiān)測功能：實時監(jiān)測室內(nèi)PM2.5濃度，并根據(jù)設(shè)置的濃度上線進行報警提示。

④ 遠程通信控制功能：支持實時或者定時上傳模式、支持客戶遠程修改濃度上限值。

1.2 監(jiān)測儀系統(tǒng)方案設(shè)計

本系統(tǒng)采用高性能ARM7芯片LPC2148作為核心處理器，該芯片內(nèi)部集成512 KB高速Flash存儲器，具有豐富的外設(shè)和通信接口，包括2路高速的10位ADC輸入通道和1路10位的DAC輸出通道，支持UART、SPI、I2C總線等多種串行總線協(xié)議，包含多達45個高速GPIO通用引腳[6]。此外，64引腳的LQFP封裝非常適用于功耗敏感的小型嵌入式系統(tǒng)中，在工業(yè)控制、醫(yī)療衛(wèi)生、數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。圖1給出了室內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)測儀的硬件系統(tǒng)架構(gòu)圖，包括傳感器采集模塊(氣體、溫度、濕度等)、液晶顯示模塊、報警模塊以及網(wǎng)絡(luò)通信模塊等。

圖1 監(jiān)測儀整體硬件架構(gòu)設(shè)計

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 溫濕度傳感器模塊

溫濕度測量傳感器采用的是廣州奧松公司生產(chǎn)的一款數(shù)字化DHT11模塊，該模塊內(nèi)部包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，僅通過一根I/O數(shù)據(jù)線實現(xiàn)與處理器LPC2148的通信，支持3～5 V供電[7]，具有低功耗、體積小巧、電路簡單等優(yōu)點。硬件電路連接時為提高數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定性，建議在數(shù)據(jù)線與電源線之間加入一個上拉電阻。每次通信傳感器向處理器傳輸高位在前，低位在后的40字節(jié)數(shù)據(jù)信息，包含溫度數(shù)據(jù)(16字節(jié))、濕度數(shù)據(jù)(16字節(jié))以及校驗數(shù)據(jù)(8字節(jié))等信息。傳感器的具體參數(shù)略——編者注。

圖2 DHT11溫濕度模塊數(shù)據(jù)通信時序圖

圖2給出了DHT11模塊與LPC2148通信的時序圖，默認狀態(tài)總線處于高電平，LPC2148主動將總線拉低開始一次讀取過程，之后將總線恢復(fù)高電平，延時等待20～40 μs后讀取DHT11的回應(yīng)信號。DHT拉低總線給出響應(yīng)，再把總線拉高，準備發(fā)送數(shù)據(jù)。如圖2所示，每一位數(shù)據(jù)都以低電平開始，數(shù)據(jù)“0”所占的高電平時間大約為26～28 μs，數(shù)據(jù)“1”所占的高電平時間為116～118 μs。一般而言，一次通信時間最大3 ms，主機連續(xù)采樣間隔建議不小于100 ms。

2.2 甲醛傳感器模塊

甲醛氣體檢測采用電化學(xué)式傳感器ME3M-CH2O，該模塊根據(jù)電化學(xué)的原理工作，利用待測氣體在電極上的電化學(xué)氧化過程所產(chǎn)生的電流與其濃度成正比，通過測定電流的大小就可以確定待測氣體的濃度。其具有體積小、功耗低、檢測范圍寬、靈敏度高等特點，廣泛應(yīng)用于家庭及公共場所等甲醛檢測等場所[8]。圖3給出了ME3M-CH2O傳感器的硬件檢測電路，通過運算放大器將傳感器上檢測到的電流信號變化為電壓信號并放大，進而送入LPC2148處理器的A/D模塊進行采集。

圖3 甲醛傳感器檢測電路

2.3 甲烷傳感器模塊

甲烷傳感器采用的是MC112載體催化氣敏元件，傳感器的補償元件和檢測元件構(gòu)成電橋的兩個臂，當檢測到甲烷氣體時，依據(jù)催化燃燒化學(xué)效應(yīng)，檢測元件的電阻值將升高，引起橋路電壓發(fā)生變化，產(chǎn)生電壓信號強弱與可燃氣體濃度成正比關(guān)系[9]。MC112的檢測電路原理圖如圖4所示，由于傳感器輸出的信號比較微弱，這里采用AD623放大器進行放大之后送入LPC2148進行采集處理。

圖4 甲烷傳感器檢測電路

2.4 PM2.5傳感器模塊

PM2.5粉塵傳感器采用的是韓國進口DSM501模塊。該模塊的工作原理如下：首先通過自加熱功能使室內(nèi)的空氣進入模塊內(nèi)部，粉塵粒子被LED發(fā)射的探測光照射后印發(fā)散射，再經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換器將光脈沖轉(zhuǎn)換為電脈沖，從而完成對粉塵顆粒的識別。該模塊可以檢測到直徑在1 μm以上的粉塵懸浮物，以PWM脈寬調(diào)制的方式輸出信號，一個DSM501傳感器可以檢測最大面積為30 m2空間內(nèi)的粉塵濃度[10]。如表1所列，DSM501模塊共有5個引腳，其中3引腳和5引腳為供電引腳，2引腳和4引腳為輸出引腳，其中2引腳用來檢測最小直徑為1 μm的懸浮物，而4引腳用來檢測最小值為2.5 μm的懸浮物，但4引腳的檢測靈敏度可以通過1引腳進行控制，接入不同阻值電阻可以改變4引腳的檢測敏感度。

DSM501的PWM輸出波形和檢測流程圖分別如圖5和圖6所示。輸出的低電平的脈寬在10～90 ms之間，利用式(1)計算出一個測量周期內(nèi)低電平所占的總時間比例，之后通過線性查表法計算PM2.5粉塵顆粒的數(shù)目。檢測前首先要讓模塊進行預(yù)熱(大約1分鐘左右)，之后開始通過LPC2148對DSM501輸出的低電平脈沖進行計數(shù)，并按照式(1)進行計算并查表。

圖5 DSM501傳感器輸出波形

圖6 PM2.5濃度檢測流程圖

2.5 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

網(wǎng)絡(luò)通信功能是本系統(tǒng)的一個重要組成部分，考慮到傳統(tǒng)以太網(wǎng)驅(qū)動芯片需要在微處理器內(nèi)編寫驅(qū)動程序，存在開發(fā)周期較長、開發(fā)難度大等問題。本文選用了集成TCP/IP協(xié)議棧的以太網(wǎng)驅(qū)動芯片W5300，該芯片是韓國WIZnet公司生產(chǎn)的一款多功能的單片網(wǎng)絡(luò)接口芯片，提供快速的高性能、低成本以太網(wǎng)解決方案[11-12]。該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7所示，電源電壓為3.3 V，芯片內(nèi)部含有1路1.8 V電壓調(diào)整電路，簡化了系統(tǒng)的電源設(shè)計；外部輸入時鐘一般為25 MHz，通過鎖相環(huán)模塊倍頻至150 MHz時鐘信號；支持8位或者16位并行總線連接方式，最高通信速率可達50 Mbps。

網(wǎng)絡(luò)模塊軟件程序主要分為以下幾個部分：

① 初始化。對W5300的MAC地址、默認IP地址、默認網(wǎng)關(guān)地址設(shè)定，初始化SOCKET，并設(shè)置TCP服務(wù)器工作模式。

圖7 W5300芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

② 接收數(shù)據(jù)。W5300接收數(shù)據(jù)采用中斷方式，當W5100接收緩沖區(qū)收到數(shù)據(jù)之后，會產(chǎn)生一個中斷信號，通過LPC2148處理器的中斷處理程序進行解析，首先讀取接收緩沖區(qū)中長度寄存器S0_RX_RSR的值，進而按照數(shù)據(jù)長度進行讀取并返回。

③ 發(fā)送數(shù)據(jù)。處理器接收到客戶端的數(shù)據(jù)請求之后，通過采集相應(yīng)的傳感器信息，首先將待發(fā)送數(shù)據(jù)復(fù)制到Socket的TX發(fā)送緩沖區(qū)，然后在計算待發(fā)送數(shù)據(jù)的長度，并將該信息寫入到寄存器S0_TX_WRSR中，之后開始發(fā)送數(shù)據(jù)。

W5300軟件驅(qū)動程序流程圖如圖8所示，首先對芯片復(fù)位、初始化，完成MAC地址、IP地址等參數(shù)設(shè)置，復(fù)位過程中，要至少保持2 μs的低電平信號，之后等待10 ms左右，待鎖相環(huán)工作穩(wěn)定以后，再建立Socket連接，等待程序發(fā)送讀取或者發(fā)送指令，并進行相應(yīng)操作。

圖8 W5300芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)測試

分別參照《溫濕度傳感器校準規(guī)范》、《甲烷氧氣檢測報警儀檢定規(guī)程》以及《光散射式數(shù)字粉塵測試儀檢定規(guī)程》對監(jiān)測儀的各項指標進行標定，除溫濕度測量試驗外，其余工況均在溫度(20±3) ℃，相對濕度≤60%的室內(nèi)環(huán)境測試，為了提高測量精度，把三組連續(xù)測量的平均值記為儀器測量顯示值，具體測試數(shù)據(jù)略——編者注。

通過數(shù)據(jù)可以看出，溫濕度的測量誤差在1%左右，測量氣體濃度時，當氣體濃度較小時，儀器檢測結(jié)果的誤差比較大；而當氣體濃度較大時，測量精度相對較高。主要原因是當氣體濃度小，檢測電路的分辨靈敏度不夠。綜上所述，本文研發(fā)的監(jiān)測儀可以對生活和生產(chǎn)的環(huán)境進行氣體濃度的檢測，能夠滿足測量要求。

結(jié) 語

本文采用LPC2148芯片作為核心處理器，結(jié)合各類傳感器，給出了室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計以及軟件程序開發(fā)。該系統(tǒng)能夠自動監(jiān)測室內(nèi)甲醛、甲烷、PM2.5等有害物質(zhì)濃度以及溫濕度等熱環(huán)境參數(shù)，通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)進行遠程傳輸，易于管理和維護。經(jīng)測試，該監(jiān)測儀具有較高的測量精度，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可以應(yīng)用于家庭、醫(yī)院、辦公等不同室內(nèi)場所。同時，本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計思路，具有良好的移植特性，方案稍加改動，即可應(yīng)用于其他具有類似功能的監(jiān)控系統(tǒng)中，具有較高的研究

價值和應(yīng)用價值。

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(責任編輯：楊迪娜 收稿日期：2016-07-13)

Zhao Liang

(Faculty of Electronic Information and Electrical Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China)

In this paper,an indoor air quality monitoring system is designed and implemented based on LPC2148 micro-processor by means of the sensor technology,embedded technology and communication technology.The system can detect the indoor temperature,humidity,formaldehyde and methane,as well as PM2.5.All of the measured data is transmitted to the remote server through the Ethernet.The experiment results show that the system works stably and has high accuracy,which has broad market prospect.

air quality;gas concentration detection;embedded system;sensor

國家自然科學(xué)基金面上項目(61472062)；博士后基金項目((2015M571306)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費項目(DUT15ZD230, DUT16RC(4)20)。

TP274

A

?迪娜

2016-07-22)