作者/邱啟華，廣東省高級技工學(xué)校

基于ARM的室內(nèi)空氣質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)初探

作者/邱啟華，廣東省高級技工學(xué)校

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的飛速提升，人民群眾的生活水平越來越高，而環(huán)保觀念也越來越深入人心，因此越來越多的人開始關(guān)心和重視室內(nèi)空氣質(zhì)量問題，尤其是新聞報道中有關(guān)室內(nèi)空氣質(zhì)量不合格而導(dǎo)致人體出現(xiàn)不良反應(yīng)的事例，使得人們對監(jiān)測室內(nèi)空氣質(zhì)量的愿望日益迫切。在此背景之下，本文將立足于ARM設(shè)計一款室內(nèi)空氣質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)，在盡可能擴(kuò)大監(jiān)測范圍、簡化監(jiān)測流程和控制監(jiān)測成本的基礎(chǔ)之上，有效完成實(shí)時監(jiān)測室內(nèi)空氣質(zhì)量的任務(wù)。

ARM；室內(nèi)空氣質(zhì)量；在線監(jiān)測系統(tǒng)

引言

由于房屋裝修或是在房屋內(nèi)噴灑殺蟲劑等過程中，往往會在室內(nèi)釋放出大量的有毒有害氣體以及揮發(fā)性有機(jī)物，如果人體過量接觸和吸入此類物質(zhì)與氣體，將會有致癌的風(fēng)險并嚴(yán)重影響人們的身體健康。因此非常有必要設(shè)計一款能夠在線監(jiān)測室內(nèi)空氣質(zhì)量的系統(tǒng)，幫助人們隨時對室內(nèi)空氣質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測，進(jìn)而有效保障人們的身體健康。因此本文將著重圍繞基于ARM的室內(nèi)空氣質(zhì)量在線檢測系統(tǒng)進(jìn)行簡要分析研究。

1. 基于ARM的室內(nèi)空氣質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計

考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和開發(fā)過程的簡便性，因此本文將在設(shè)計基于ARM的室內(nèi)空氣質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)的過程中，選擇使用嵌入式操作系統(tǒng)。從總體上來看，嵌入式室內(nèi)空氣質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)主要包括了硬件層和軟件層，以及中間層與功能層，在層與層之間將通過運(yùn)用板級支持包進(jìn)行分隔[1]。

2. 室內(nèi)空氣質(zhì)量在線系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 基本構(gòu)架

在本文設(shè)計的基于ARM的室內(nèi)空氣質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)當(dāng)中，硬件部分主要是由包括傳感器加熱與信號采集電路在內(nèi)的，與該系統(tǒng)相匹配的傳感器列陣電路以及負(fù)責(zé)保障室內(nèi)空氣質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行的外圍電路，例如可以顯示各類氣體實(shí)際濃度值的液晶顯示電路、轉(zhuǎn)換系統(tǒng)需要的電壓電路、聲光報警電路等等共同組合而成。

2.2 主處理模塊電路

下圖展示的就是本文設(shè)計的系統(tǒng)中主處理器模塊電路的設(shè)計示意圖，在基于ARM的室內(nèi)空氣質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)當(dāng)中，占據(jù)著中心地位的便是主處理器模塊以及微處理器，該模塊主要負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析與處理以及AD轉(zhuǎn)換等等，而在設(shè)計主處理器模塊電路的過程當(dāng)中，出于性能以及經(jīng)濟(jì)成本的角度，本文選擇使用3.68M的晶振頻率，A/D轉(zhuǎn)換器為AVCC，其模擬基準(zhǔn)則是由E7和C7組成[2]。在使用ADC6的過程當(dāng)中，低通濾波器則是由L1和C9共同組合而成，而輸入系統(tǒng)中的ADVS信號則是用過由R4和E7以及C8共同組合而成的低通濾波器進(jìn)行過濾。

圖1 主處理器模塊電路設(shè)計圖

2.3 氣體傳感器

2.4 開發(fā)板資源

在開發(fā)板資源的設(shè)計當(dāng)中，本文選擇使用某公司研發(fā)生產(chǎn)的以太網(wǎng)控制器芯片，用于有效保障通信具有較高的效率，并有效控制通信成本。而在擴(kuò)展接口的設(shè)計當(dāng)中，本文選擇使用具有豐富引腳資源和擴(kuò)展接口的i.MX283處理器，在該處理器擁有若干接口，譬如說SD接口、JTAG接口等等，能夠在不需要用戶進(jìn)行人為干預(yù)的情況下，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中器同匯聚節(jié)點(diǎn)之間的通信，同時在進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)時，DR線電平也將受到串口驅(qū)動的自動控制，從而有效提升信號和數(shù)據(jù)間的通信效率與通信質(zhì)量[3]。

2.5 液晶顯示模塊

在液晶顯示模塊當(dāng)中主要負(fù)責(zé)包括數(shù)據(jù)通信與監(jiān)測、查詢，以及事件查詢、終端管理和參數(shù)設(shè)置等任務(wù)。在當(dāng)前我國科學(xué)技術(shù)水平日益提升的背景之下，越來越多的工業(yè)液晶顯示屏開始朝著智能化、現(xiàn)代化、信息化的方向發(fā)展，選擇使用此類液晶顯示屏不僅能夠支持串口通信與各種色彩模式，同時還可以幫助完成繪制監(jiān)測數(shù)據(jù)的動態(tài)變化曲線等，加之其無論是編程還是顯示界面均具有簡單方便的特性，因此比較適合使用在基于ARM的室內(nèi)空氣質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)當(dāng)中。

3. 室內(nèi)空氣質(zhì)量在線系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 基本構(gòu)架

在基于ARM的室內(nèi)空氣質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)當(dāng)中，為了能夠?qū)Ω鞣N資源和任務(wù)等進(jìn)行有效的管理與控制，可以將RTOS作為軟件開發(fā)平臺，并將整個在線監(jiān)測室內(nèi)空氣質(zhì)量的任務(wù)進(jìn)行細(xì)分化，以有效簡化系統(tǒng)的操作流程。

設(shè)計的基于ARM室內(nèi)空氣質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)，首先需要工作人員對硬件和操作系統(tǒng)進(jìn)行初始化，之后將LCD進(jìn)行初始化，并進(jìn)行字庫的裝載，之后需要結(jié)合實(shí)際情況對系統(tǒng)配置文件進(jìn)行調(diào)用并創(chuàng)建相應(yīng)任務(wù)，此后需要對用戶界面、時鐘等進(jìn)行初始化為后續(xù)的實(shí)際監(jiān)測工作奠定良好基礎(chǔ)。

在完成上述操作之后，需要啟動多任務(wù)調(diào)度，完成包括鍵盤掃描、液晶刷新、采集和處理模擬信號以及數(shù)字信號等各項(xiàng)任務(wù)。

3.2 應(yīng)用軟件

為保障基于ARM的室內(nèi)空氣質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠有效完成調(diào)度和管理任務(wù)、管理時間與內(nèi)存等任務(wù)，操作人員需要充分結(jié)合實(shí)際情況以及系統(tǒng)想要實(shí)現(xiàn)的功能，對任務(wù)及其優(yōu)先級別等進(jìn)行合理劃分，通常情況下，隨著工作頻率的不斷提高，任務(wù)也將有著更高的優(yōu)先級。

對于ARM室內(nèi)空氣質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)，優(yōu)先級最高的的采集模擬信號的任務(wù)，其次為處理和采集模擬信號以及數(shù)字信號的任務(wù)，而后需要進(jìn)行修正和刷新系統(tǒng)時間以及液晶的任務(wù)，而優(yōu)先級最低的任務(wù)則是液晶自動關(guān)閉任務(wù)。通過發(fā)送和接收信息以及信號量，或是數(shù)據(jù)隊列等方式可以有效完成任務(wù)與任務(wù)之間的通信[4]。

為有效檢驗(yàn)本文設(shè)計的基于ARM的室內(nèi)空氣質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠順利完成室內(nèi)有害氣體、可燃?xì)怏w等在線監(jiān)測任務(wù)，筆者通過按照設(shè)計方案將檢監(jiān)測室內(nèi)空氣質(zhì)量的終端監(jiān)測器以及數(shù)據(jù)集中器和WEB服務(wù)器等進(jìn)行有效連接，之后通過為各模塊提供所需電能，完成該系統(tǒng)的硬件搭建。

通過在第一個房間當(dāng)中放置能夠采集甲醛和一氧化碳數(shù)據(jù)的終端，在第二個房間當(dāng)中放置能夠采集二氧化碳的數(shù)據(jù)終端，以五分鐘為監(jiān)測單位進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，共計監(jiān)測二十四小時。

通過監(jiān)測我們可以發(fā)現(xiàn)在第一個房間當(dāng)中顯示甲醛和一氧化碳的數(shù)據(jù)分別保持在0.02與0.4左右，因此表明在第一個房間當(dāng)中并未出現(xiàn)甲醛和一氧化碳超標(biāo)而影響室內(nèi)空氣質(zhì)量的問題。

而在第二個房間當(dāng)中，基于ARM的室內(nèi)空氣質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)顯示，在全天的監(jiān)測時間段內(nèi)，其采集到的二氧化碳數(shù)值一直維持在908左右，通過系統(tǒng)的進(jìn)一步分析給出了第二個房間空氣質(zhì)量不合格的監(jiān)測結(jié)果。

而通過在系統(tǒng)當(dāng)中事先輸入各氣體的標(biāo)準(zhǔn)值后，我們可以發(fā)現(xiàn)由于第二個房間中存在二氧化碳超標(biāo)的問題，此時室內(nèi)空氣質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)將自動啟動報警功能，此后實(shí)驗(yàn)人員通過將該裝置放置在室內(nèi)空氣質(zhì)量合格的第一個房間后，警報自動解除。

4. 結(jié)束語

總而言之，本文以ARM為基礎(chǔ)設(shè)計了一款室內(nèi)空氣質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)，并且分別從系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩個角度出發(fā)，對該款室內(nèi)空氣質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)的具體設(shè)計方案以及工作原理等進(jìn)行簡要分析，由于基于ARM室內(nèi)空氣質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)本身具有較高的精確性和實(shí)時性，使用周期相對比較長，加之具有便于攜帶和功能齊全等眾多優(yōu)勢，因此相信其在未來還將有更加廣闊的應(yīng)用空間。

＊ [1]郭聯(lián)金，虞曉瓊，王國勝，林繼隆. 室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J]. 微型機(jī)與應(yīng)用，2016，18：99—102.

＊ [2]曹龍，劉煒，曾力. 無線室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子世界，2017，01：193—195.

＊ [3]周虎，秦沿海，代祥軍，李玉中，李瑞. 室內(nèi)空氣質(zhì)量的監(jiān)測與控制系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J]. 科技資訊，2014，10：37+39.

＊ [4]范奧博，鐵治欣，吳銘程，劉良桂. 室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 浙江理工大學(xué)學(xué)報，2015，05：382—389.