魏慶麗， 王　潔， 楊　晨， 鄧欣欣

(吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林 長春 130021)

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GSM網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

魏慶麗， 王潔， 楊晨， 鄧欣欣

(吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林 長春 130021)

設(shè)計使用氣體傳感器針對室內(nèi)空氣中的PM 2.5和甲醛含量進行檢測，通過微處理器進行處理與分析，在液晶顯示屏上顯示數(shù)據(jù)，并根據(jù)設(shè)定閾值進行聲光報警，利用全球移動通信系統(tǒng)GSM無線網(wǎng)絡(luò)進行遠程通信，實現(xiàn)遠程實時監(jiān)測室內(nèi)空氣質(zhì)量。

室內(nèi)空氣質(zhì)量； PM2.5； 甲醛； GSM網(wǎng)絡(luò)

0　引　言

室內(nèi)環(huán)境指人們生活、工作及其他相對封閉的場所等。據(jù)統(tǒng)計，人每天平均有80 %～90 %以上的時間是在室內(nèi)度過，所以，室內(nèi)空氣質(zhì)量的好壞對人們身體健康的影響遠高于室外空氣質(zhì)量[1]。隨著工業(yè)的發(fā)展，人們所處的生活環(huán)境日益惡劣，各種呼吸道疾病的發(fā)病率大幅度提高，因此，對室內(nèi)空氣質(zhì)量進行實時監(jiān)測十分必要。

目前，影響室內(nèi)空氣質(zhì)量的污染物主要有甲醛、PM2.5等，傳統(tǒng)的檢測系統(tǒng)大多只能檢測一種空氣質(zhì)量參數(shù)，且價格昂貴，操作復(fù)雜，不能在室內(nèi)普遍應(yīng)用。本文設(shè)計一種能檢測多種空氣質(zhì)量參數(shù)，并能利用全球移動通信系統(tǒng)(GSM)網(wǎng)絡(luò)進行遠程監(jiān)測的系統(tǒng)十分有現(xiàn)實意義[2～4]。

1　系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于GSM網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)主要包括中央處理模塊、傳感器檢測模塊(PM2.5檢測模塊、甲醛含量檢測模塊)、鍵盤控制模塊、顯示模塊、閾值報警模塊、GSM通信模塊、供電模塊[5～8]。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

系統(tǒng)通過傳感器采集信息，經(jīng)單片機處理后，在LED顯示屏顯示數(shù)據(jù)，當數(shù)據(jù)值大于設(shè)定的濃度閾值時，單片機實現(xiàn)聲光報警，并通過GSM網(wǎng)絡(luò)向手機終端發(fā)送報警短信，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1PM2.5檢測模塊

檢測PM2.5的傳感器采用夏普公司生產(chǎn)的GP2Y1010AU0F，它是一種光學(xué)濃度檢測傳感器，其內(nèi)部對角位置上分布著光電晶體管、紅外線發(fā)光二極管，利用光敏原理檢測空氣中細微的顆粒，由光經(jīng)粒子衰減公式I=Ioe-pd，將電流衰減前后差轉(zhuǎn)換為電壓脈沖，根據(jù)輸出脈沖的高度來判斷PM2.5的濃度。傳感器具有體積小，重量輕等特點，便于安裝攜帶，它的最大電流值為20 mA，通常使用直流電壓達7 V的電流，輸出與粉塵濃度呈正比的0～5 V的模擬電壓信號。

2.2甲醛檢測模塊

2.3GSM網(wǎng)絡(luò)模塊

GSM模塊采用SIMCom公司的SIM900A為主控芯片，SIM900A是緊湊型、高可靠性的無線模塊，采用STM封裝的雙頻GSM/GPRS模塊解決方案。它具有功能強大的處理器ARM9216EJ—S內(nèi)核，能滿足低成本、緊湊尺寸的開發(fā)要求。它還具有標準的AT命令接口，可以提供短消息，GSM語音等多項業(yè)務(wù)。單片機通過串口對GSM模塊發(fā)送AT指令，便可實現(xiàn)對SIM900A的控制。該模塊工作流程圖如圖2所示。

圖2　GSM網(wǎng)絡(luò)通信流程圖

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)的主要程序流程是控制STC12C5A60S在一定周期內(nèi)采集傳感器獲取的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后，在液晶屏上顯示，并通過對SIM900A模塊寫入不同的AT指令后，完成相應(yīng)的通信任務(wù)[9～12]。系統(tǒng)的軟件流程圖如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)的軟件流程圖

4　實驗結(jié)果與分析

4.1系統(tǒng)PM2.5檢測性能驗證

4.1.1采集PM2.5數(shù)據(jù)

利用擴散煙霧法測試系統(tǒng)檢測PM2.5能力。點燃一根香煙，靠近PM2.5傳感器，慢慢增加煙的濃度，讀取11個濃度值間隔大致相等的數(shù)據(jù)，分別測量該濃度下傳感器輸出電壓，實測情況下傳感器的特性曲線如圖3所示。

圖4　實測粉塵濃度特性曲線

圖5　理論粉塵濃度特性曲線

經(jīng)比較實測特性曲線與理論特性曲線輪廓相似。

4.1.2甲醛數(shù)據(jù)處理與分析

該傳感器采用串口通信方式提高了測量精度，串口的配置要求為：1)波特率：2 400 bit/s;2)每10 ms發(fā)送1個字節(jié)，共7個字節(jié)，一個校驗位

Parity=Vout(H)+Vout(L)+Vref(H)+Vref(L)

(1)

將接收到的電壓值的數(shù)據(jù)按公式

(2)

計算后得到Vo的值，灰塵濃度就為K×Vo，k為質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)換系數(shù)。

根據(jù)所測數(shù)據(jù)可計算輸出電壓范圍

V=VOH-VOL=(3.75-0.83)V=2.92V

(3)

可計算出粉塵濃度范圍

c=cOH-cOL=(0.625-0.000)mg/m3

=0.625mg/m3

(4)

可計算出檢測靈敏度

(5)

由以上數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)對PM2.5的檢測在測量范圍內(nèi)有較好的線性度及較高的靈敏度。

4.2系統(tǒng)甲醛檢測性能驗證

4.2.1采集數(shù)據(jù)

系統(tǒng)通電后，預(yù)熱3min，每隔10s采集一次甲醛濃度含量數(shù)據(jù)，其實測數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　實測甲醛濃度與輸出電壓

4.2.2PM2.5數(shù)據(jù)處理與分析

甲醛模組采用串口通信方式，其標準為：停止位1位，數(shù)據(jù)位8，校驗位無，波特率9 600。模組默認通過串口發(fā)送數(shù)字信號，每隔1 s發(fā)送濃度值，默認單位10-6，需用公式

(6)

轉(zhuǎn)換單位M為摩爾質(zhì)量，Ba為壓力，T為氣體溫度，經(jīng)過簡化后得出：模組檢測數(shù)據(jù)×1.25mg/m3。

采用最小二乘法擬合求取靈敏度和線性度。設(shè)擬合直線方程為y=kx+b，其中

(7)

(8)

式中n為實際測量數(shù)據(jù)個數(shù)，x為甲醛濃度，y為輸出電壓，經(jīng)計算得K=0.448 8v/(mg/m3)，b=0.032 98。 由Δi=yi-(kxi+b)得最大非線性誤差：ΔLmax=0.05v。由以上數(shù)據(jù)得到擬合曲線圖及殘差，如圖6、圖7所示。

圖6　擬合曲線圖

圖7　實測數(shù)據(jù)與擬合曲線殘差

由圖6可知，系統(tǒng)對甲醛檢測有較好的線性度和較高的靈敏度。

4.3實驗對照

將監(jiān)測系統(tǒng)與P—5L2C型粉塵儀和JC—7高精度甲醛監(jiān)測儀進行對比測試，測試結(jié)果如表2所示。

表2　對比試驗數(shù)據(jù)

x1,y1是本系統(tǒng)實測PM2.5和甲醛濃度；x2,y2分別是P—5L2C型粉塵儀檢測PM2.5濃度和JC—7檢測甲醛濃度。由實驗結(jié)果分析可知，與市場上現(xiàn)有PM2.5檢測儀和甲醛檢測儀的性能比較，本系統(tǒng)對PM2.5和甲醛的檢測精確度可達到±0.3 %和±1.3 %，檢測量程大，可對當前室內(nèi)空氣PM2.5和甲醛含量作出優(yōu)、良、輕度污染、中度污染、重度污染評估。此系統(tǒng)操作方便，體積小，成本低，適合家用檢測空氣質(zhì)量。

5　結(jié)　論

本文提出一種便攜式的遠程空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案，通過STC12C5A60S2微控制器結(jié)合夏普GP2Y1010AU0F灰塵傳感器和ZE08—CH2O甲醛模組實現(xiàn)對空氣中的PM2.5和甲醛的參數(shù)測量，并通過鍵盤預(yù)設(shè)限值，判斷空氣質(zhì)量標準，發(fā)出超標警報，利用GSM網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對室內(nèi)空氣質(zhì)量進行實時監(jiān)測，遠程報警，提醒人們采取措施，改善室內(nèi)空氣質(zhì)量，防止空氣污染對健康造成威脅。

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Design of indoor air quality monitoring system based on GSM network

WEI Qing-li， WANG Jie， YANG Chen， DENG Xin-xin

(College of Instrumentation & Electrical Engineering，Jilin University，Changchun 130021，China)

This design uses gas sensors for testing PM 2.5 and formaldehyde content in indoor air,use microprocessor for processing and analysis, displaying the data on LCD screen,and according to setting threshold for alarm,use global system for mobile communication GSM wireless network for remote communication,realize remote and real-time monitoring of indoor air quality.

indoor air quality; PM2.5; formaldehyde; global system for mobile communication GSM network

10.13873/J.1000—9787(2016)09—0069—03

2016—01—04

TH 855

A

1000—9787(2016)09—0069—03

魏慶麗(1972-)，女，吉林省四平人，工程師，主要從事傳感器技術(shù)應(yīng)用研究。