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(jì)了一款基于LPC2148處理器的室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)室內(nèi)的溫度、濕度、甲醛、甲烷以及PM2.5濃度檢測(cè)，并將測(cè)得的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)發(fā)送至客戶端，達(dá)到對(duì)建筑室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)的目的。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、測(cè)量精度高，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

空氣品質(zhì)；氣體檢測(cè)；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(huì)人類日常工作和休息的主要場(chǎng)所，據(jù)統(tǒng)計(jì)，人類有80%～90%的時(shí)間是在室內(nèi)度過的，因此，室內(nèi)空氣質(zhì)量對(duì)于人類的健康至關(guān)重要[1]。然而，近些年，由于城市化進(jìn)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(wú)數(shù)家庭帶來(lái)了嚴(yán)重的傷害，越來(lái)越多地引起人們的重視。據(jù)世界衛(wèi)生組織部門統(tǒng)計(jì)，目前，中國(guó)30%以上的建筑物室內(nèi)控制質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，存在有毒有害氣體，嚴(yán)重危害人們的身心健康，嚴(yán)重影響了人類健康安全[2]。另一方面，針對(duì)辦公場(chǎng)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(wú)論在家庭還是在辦公場(chǎng)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(jì)了一款適用于室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的儀器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)也可以監(jiān)測(cè)室內(nèi)的溫濕度等熱環(huán)境參數(shù)，并通過GPRS遠(yuǎn)程設(shè)備傳輸?shù)接脩舻氖謾C(jī)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(jì)

1.1 需求分析

針對(duì)上述對(duì)各種氣體以及溫濕度監(jiān)測(cè)的需求分析，本文設(shè)計(jì)的空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀具有如下功能：

① 溫濕度監(jiān)測(cè)功能：實(shí)時(shí)采集室內(nèi)溫度、濕度等熱環(huán)境參數(shù)，并存儲(chǔ)記錄，當(dāng)溫濕度超出舒適度范圍內(nèi)，進(jìn)行報(bào)警提示。

② 有害氣體監(jiān)測(cè)功能：實(shí)時(shí)采集室內(nèi)甲醛(HCHO)、甲烷等有害氣體濃度，當(dāng)超出正常范圍值時(shí)，進(jìn)行報(bào)警提示。

③ PM2.5濃度監(jiān)測(cè)功能：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)PM2.5濃度，并根據(jù)設(shè)置的濃度上線進(jìn)行報(bào)警提示。

④ 遠(yuǎn)程通信控制功能：支持實(shí)時(shí)或者定時(shí)上傳模式、支持客戶遠(yuǎn)程修改濃度上限值。

1.2 監(jiān)測(cè)儀系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

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(chǔ)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(dá)45個(gè)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(cè)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(bào)警模塊以及網(wǎng)絡(luò)通信模塊等。

圖1 監(jiān)測(cè)儀整體硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 溫濕度傳感器模塊

溫濕度測(cè)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(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，僅通過一根I/O數(shù)據(jù)線實(shí)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(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。硬件電路連接時(shí)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(gè)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(yàn)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(shí)序圖

圖2給出了DHT11模塊與LPC2148通信的時(shí)序圖，默認(rèn)狀態(tài)總線處于高電平，LPC2148主動(dòng)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(shí)等待20～40 μs后讀取DHT11的回應(yīng)信號(hào)。DHT拉低總線給出響應(yīng)，再把總線拉高，準(zhǔn)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(shí)間大約為26～28 μs，數(shù)據(jù)“1”所占的高電平時(shí)間為116～118 μs。一般而言，一次通信時(shí)間最大3 ms，主機(jī)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(cè)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(cè)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(cè)定電流的大小就可以確定待測(cè)氣體的濃度。其具有體積小、功耗低、檢測(cè)范圍寬、靈敏度高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于家庭及公共場(chǎng)所等甲醛檢測(cè)等場(chǎng)所[8]。圖3給出了ME3M-CH2O傳感器的硬件檢測(cè)電路，通過運(yùn)算放大器將傳感器上檢測(cè)到的電流信號(hào)變化為電壓信號(hào)并放大，進(jìn)而送入LPC2148處理器的A/D模塊進(jìn)行采集。

圖3 甲醛傳感器檢測(cè)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(bǔ)償元件和檢測(cè)元件構(gòu)成電橋的兩個(gè)臂，當(dāng)檢測(cè)到甲烷氣體時(shí)，依據(jù)催化燃燒化學(xué)效應(yīng)，檢測(cè)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(hào)強(qiáng)弱與可燃?xì)怏w濃度成正比關(guān)系[9]。MC112的檢測(cè)電路原理圖如圖4所示，由于傳感器輸出的信號(hào)比較微弱，這里采用AD623放大器進(jìn)行放大之后送入LPC2148進(jìn)行采集處理。

圖4 甲烷傳感器檢測(cè)電路

2.4 PM2.5傳感器模塊

PM2.5粉塵傳感器采用的是韓國(guó)進(jìn)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(jìn)入模塊內(nèi)部，粉塵粒子被LED發(fā)射的探測(cè)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(duì)粉塵顆粒的識(shí)別。該模塊可以檢測(cè)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(hào)，一個(gè)DSM501傳感器可以檢測(cè)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(gè)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(lái)檢測(cè)最小直徑為1 μm的懸浮物，而4引腳用來(lái)檢測(cè)最小值為2.5 μm的懸浮物，但4引腳的檢測(cè)靈敏度可以通過1引腳進(jìn)行控制，接入不同阻值電阻可以改變4引腳的檢測(cè)敏感度。

DSM501的PWM輸出波形和檢測(cè)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(jì)算出一個(gè)測(cè)量周期內(nèi)低電平所占的總時(shí)間比例，之后通過線性查表法計(jì)算PM2.5粉塵顆粒的數(shù)目。檢測(cè)前首先要讓模塊進(jìn)行預(yù)熱(大約1分鐘左右)，之后開始通過LPC2148對(duì)DSM501輸出的低電平脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，并按照式(1)進(jìn)行計(jì)算并查表。

圖5 DSM501傳感器輸出波形

圖6 PM2.5濃度檢測(cè)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(gè)重要組成部分，考慮到傳統(tǒng)以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)芯片需要在微處理器內(nèi)編寫驅(qū)動(dòng)程序，存在開發(fā)周期較長(zhǎng)、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(dòng)芯片W5300，該芯片是韓國(guó)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(jiǎn)化了系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)；外部輸入時(shí)鐘一般為25 MHz，通過鎖相環(huán)模塊倍頻至150 MHz時(shí)鐘信號(hào)；支持8位或者16位并行總線連接方式，最高通信速率可達(dá)50 Mbps。

網(wǎng)絡(luò)模塊軟件程序主要分為以下幾個(gè)部分：

① 初始化。對(duì)W5300的MAC地址、默認(rèn)IP地址、默認(rèn)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(dāng)W5100接收緩沖區(qū)收到數(shù)據(jù)之后，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)，通過LPC2148處理器的中斷處理程序進(jìn)行解析，首先讀取接收緩沖區(qū)中長(zhǎng)度寄存器S0_RX_RSR的值，進(jìn)而按照數(shù)據(jù)長(zhǎng)度進(jìn)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(qǐng)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(jì)算待發(fā)送數(shù)據(jù)的長(zhǎng)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(dòng)程序流程圖如圖8所示，首先對(duì)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(hào)，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(jìn)行相應(yīng)操作。

圖8 W5300芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)測(cè)試

分別參照《溫濕度傳感器校準(zhǔn)規(guī)范》、《甲烷氧氣檢測(cè)報(bào)警儀檢定規(guī)程》以及《光散射式數(shù)字粉塵測(cè)試儀檢定規(guī)程》對(duì)監(jiān)測(cè)儀的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定，除溫濕度測(cè)量試驗(yàn)外，其余工況均在溫度(20±3) ℃，相對(duì)濕度≤60%的室內(nèi)環(huán)境測(cè)試，為了提高測(cè)量精度，把三組連續(xù)測(cè)量的平均值記為儀器測(cè)量顯示值，具體測(cè)試數(shù)據(jù)略——編者注。

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

結(jié) 語(yǔ)

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(cè)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)以及軟件程序開發(fā)。該系統(tǒng)能夠自動(dòng)監(jiān)測(cè)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(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，易于管理和維護(hù)。經(jīng)測(cè)試，該監(jiān)測(cè)儀具有較高的測(cè)量精度，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可以應(yīng)用于家庭、醫(yī)院、辦公等不同室內(nèi)場(chǎng)所。同時(shí)，本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，具有良好的移植特性，方案稍加改動(dòng)，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(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。

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(責(zé)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(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(61472062)；博士后基金項(xiàng)目((2015M571306)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(DUT15ZD230, DUT16RC(4)20)。

TP274

A

?迪娜

2016-07-22)