李 彬，薛 梁，崔 鵬

（吉林建筑大學(xué) 電氣與計(jì)算機(jī)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130000）

0 引言

近年來(lái)，隨著生活質(zhì)量的不斷提高，人們對(duì)居家辦公場(chǎng)所的舒適性及環(huán)境質(zhì)量的要求也更高。然而目前許多新建筑物如住宅區(qū)、寫字樓中甲醛問(wèn)題未被重視，導(dǎo)致甲醛的室內(nèi)污染逐漸增多。長(zhǎng)時(shí)間吸入高濃度甲醛后會(huì)出現(xiàn)呼吸道的嚴(yán)重刺激和水腫、眼刺痛、頭痛，甚至?xí)黾又掳└怕?。本文將Cortex?M3 內(nèi)核的STM32系列單片機(jī)作為主控芯片，設(shè)計(jì)一種針對(duì)室內(nèi)的長(zhǎng)時(shí)間甲醛監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有時(shí)間長(zhǎng)、抗干擾能力強(qiáng)、成本低、可同時(shí)測(cè)量多個(gè)房間的優(yōu)點(diǎn)，數(shù)據(jù)可遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

甲醛監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)采集模塊和信號(hào)處理模塊，方案框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的工作流程為：STM32 芯片通過(guò)串口接收Z(yǔ)E08 甲醛模組采集的室內(nèi)甲醛數(shù)據(jù)，并通過(guò)ESP8266無(wú)線通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給接收端，接收端所使用的MCU 為IAP15W4K61S4；數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后通過(guò)串口輸送到上位機(jī)，可在計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)監(jiān)控，也能夠通過(guò)界面發(fā)布功能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)可以接入最多3 個(gè)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)多個(gè)房間的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)分為數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)兩個(gè)部分。傳感器的功能框圖如圖2 所示。其中包含有1 個(gè)數(shù)據(jù)接收端、3 個(gè)數(shù)據(jù)采集端，每個(gè)接收端包含有1 個(gè)ZE08 甲醛模塊以及ESP8266 無(wú)線通信模塊。

圖2 系統(tǒng)硬件框架設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)

已開(kāi)發(fā)的電路板如圖3 所示，該系統(tǒng)包含一塊W25Q32 存儲(chǔ)芯片，用于暫時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。該芯片具有32 MB 的串行閃存以及4 KB 的扇區(qū)。系統(tǒng)通過(guò)低壓電源接口DC?005 提供5 V 電壓，還可以利用Micro?A 接口與計(jì)算機(jī)連接，由計(jì)算機(jī)提供5 V 的電壓。5 V 的電壓通過(guò)AMS117 芯片轉(zhuǎn)化為3.3 V 的電壓來(lái)維持芯片的正常工作。電路板是通過(guò)USB 接口利用CH340G 進(jìn)行信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)USB 轉(zhuǎn)串口從而與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。ESP8266 工作在AP 模式供采集模塊接入。PCB 板的布局如圖3b）所示，左側(cè)與下側(cè)引出大部分引腳，包括串口2 和串口3，芯片正上方的按鍵控制整個(gè)電路的開(kāi)關(guān)。

圖3 數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)

2.2 數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)

圖4 為傳感器接收系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)發(fā)送端，它由一個(gè)無(wú)線模塊（可以容納2 個(gè)傳感器的接口）和基本的單片機(jī)電路構(gòu)成?；镜膯纹瑱C(jī)電路采用32 位ARM 單片機(jī)STM32F103RCT6 作為主控芯片，將預(yù)先寫好的程序燒錄到芯片后，可以將傳感器采集的數(shù)據(jù)預(yù)處理再發(fā)送到無(wú)線模塊進(jìn)行傳輸，且可以同時(shí)接收2 個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)。主電路采用CH340N 作為串行USB 芯片，不需要焊接晶振，更加方便快捷。電路的穩(wěn)壓芯片由低壓差電壓調(diào)節(jié)器LM1117 擔(dān)任，板上的無(wú)線模塊采用ESP8266，采用串口通信，工作頻率為2.4 GHz。通過(guò)本地串口燒錄的程序采用AT 指令的方式配置，同時(shí)具有斷電記憶功能，且能斷電儲(chǔ)存ESP8266 芯片的信息。發(fā)送端使用Station 模式以便接入發(fā)送數(shù)據(jù)給接收端。PCB 板的布局如圖4b）所示，芯片下方是由串口2 與串口3 組成的傳感器插口，左上方是無(wú)線模塊的接口，右上方是JTCK的接口，可用來(lái)與計(jì)算機(jī)通信。

圖4 數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)

采集模塊所使用的甲醛傳感器型號(hào)為ZE08?CHO。它是一個(gè)通用型、小型化的模組，利用電化學(xué)原理對(duì)空氣中的CHO 進(jìn)行探測(cè)，工作電壓為3.7～5.5 V，量程為0～5 ppm，分辨率小于0.01 ppm，具有較好的穩(wěn)定性。采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)后，可通過(guò)已建立的LabVIEW 界面顯示出來(lái)。

3 上位機(jī)的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的上位機(jī)采用NI 公司圖形化的編程語(yǔ)言LabVIEW 搭建。LabVIEW 具有開(kāi)發(fā)周期短、可移植性強(qiáng)和穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，縮減了大量的底層開(kāi)發(fā)周期和冗雜的編程過(guò)程。上位機(jī)軟件主要是通過(guò)串口與數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)通信，通過(guò)調(diào)用VISA 串口VI 讀取下位機(jī)測(cè)量的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)分段處理后通過(guò)波形圖標(biāo)的方式顯示在界面上。上位機(jī)在沒(méi)有互聯(lián)網(wǎng)的情況下，可以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)；在連接到互聯(lián)網(wǎng)時(shí)也可以通過(guò)組態(tài)軟件Web 發(fā)布工具，使得遠(yuǎn)端監(jiān)控PC 通過(guò)IE 客戶端遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

開(kāi)發(fā)的LabVIEW 前面板如圖5 所示，主要包括串口功能設(shè)置、當(dāng)前各傳感器甲醛濃度以及甲醛濃度曲線三部分，可以同時(shí)檢測(cè)3 個(gè)傳感器。后面板的程序框圖中主要由UART 通信模塊、顯示子VI、數(shù)據(jù)處理部分等組成。3 個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)可以獨(dú)立工作，互不干擾，因此可以將它們放置在不同位置進(jìn)行采集工作。采集到的數(shù)據(jù)直觀地顯示在右側(cè)的3 個(gè)窗口中。

圖5 上位機(jī)界面

4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

室內(nèi)甲醛監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的采集與接收需滿足較高的實(shí)時(shí)性要求，同時(shí)，無(wú)線模塊的傳輸對(duì)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性有很大的影響?？紤]到室內(nèi)復(fù)雜的地理情況，共設(shè)置4 組實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性，其中前2 組實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證無(wú)線傳輸?shù)目煽啃?，? 組實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

4.1 高度對(duì)RSSI 值的影響

考慮到室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，本文設(shè)計(jì)不同高度對(duì)RSSI值的影響實(shí)驗(yàn)。測(cè)試3 組不同的數(shù)據(jù)，高度從0.5～1.5 m遞增，室內(nèi)最遠(yuǎn)距離定為10 m。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。

由圖6 可知，隨著距離的增加，RSSI 值不斷減小，在10 m 處達(dá)到最小。高度越高所提供的RSSI 值越大，因此在室內(nèi)測(cè)量時(shí)應(yīng)盡量在一定高度下采集，以保證長(zhǎng)距離無(wú)線傳輸時(shí)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

圖6 不同高度對(duì)RSSI 值的影響

4.2 隔墻時(shí)的RSSI 值

考慮到要采集多處室內(nèi)的甲醛數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)間隔一堵墻時(shí)對(duì)RSSI 值影響的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)測(cè)量區(qū)間為20 m，每間隔2 m 采集一次數(shù)據(jù)，并用沒(méi)有墻時(shí)的RSSI 值作為對(duì)照組。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。從圖7可知，中間有障礙物阻攔時(shí)RSSI 值會(huì)變小，在20 m 處時(shí)已經(jīng)降到-75 dBm。因此，在長(zhǎng)距離傳輸時(shí)應(yīng)盡量避免隔過(guò)多的墻，以保證無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

圖7 有障礙物時(shí)對(duì)RSSI 值的影響

4.3 系統(tǒng)的穩(wěn)定性

為驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)在夜間進(jìn)行，選取一個(gè)密閉的教室，共采集10 min 的數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖8 所示。由圖8 可知，甲醛氣體的濃度維持在13～16 ppb 之間，未出現(xiàn)較劇烈的波動(dòng)。圖8 的結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量打下了良好的基礎(chǔ)。

圖8 10 min 甲醛濃度曲線

4.4 系統(tǒng)可靠性測(cè)試

為驗(yàn)證系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間工作的可靠性，選擇在新裝修的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試，時(shí)間從早上8 時(shí)采集至次日早上8 時(shí)，其24 h 的檢測(cè)數(shù)據(jù)如圖9 所示。由圖9 可知，在新裝修的密閉實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，甲醛濃度不斷上升，在正午時(shí)已超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)并不斷緩慢增長(zhǎng)，次日清晨時(shí)達(dá)到最高峰并趨于平緩。次日7 時(shí)實(shí)驗(yàn)室有人員進(jìn)入，并打開(kāi)窗戶通風(fēng)，室內(nèi)的甲醛濃度迅速下降，并在7：30 下降到最低點(diǎn)。由此可知，人員不能長(zhǎng)時(shí)間待在新裝修的密閉室內(nèi)，長(zhǎng)時(shí)間的密閉環(huán)境會(huì)造成甲醛的積累，危害人的身體健康。綜上，在新裝修的室內(nèi)必須保持良好的通風(fēng)環(huán)境來(lái)降低甲醛的危害。

圖9 24 h 甲醛濃度曲線

5 結(jié) 語(yǔ)

居住、辦公環(huán)境的好壞直接影響人們的身體健康，本文基于STM32 單片機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及無(wú)線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)室內(nèi)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)證明本文系統(tǒng)可靠性較高，具有低功耗、易攜帶、低成本的特點(diǎn)，且具有遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能，適用于各類室內(nèi)甲醛監(jiān)測(cè)的場(chǎng)合，具有很好的實(shí)用價(jià)值。