韓泊明+趙星澤

摘 要：室內(nèi)空氣質(zhì)量已經(jīng)成為人們生活中重要的話題之一。本課題按照空氣質(zhì)量指數(shù)標準，設(shè)計出一個基于STM32芯片的適合室內(nèi)封閉空間的空氣質(zhì)量檢測模塊，包括數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元以及數(shù)據(jù)顯示單元的設(shè)計。通過該模塊可實現(xiàn)空氣質(zhì)量參數(shù)的智能采集和上傳，并將該模塊顯示在上位機，以及根據(jù)設(shè)定的閾值進行實時監(jiān)控與報警。

關(guān)鍵詞：空氣質(zhì)量監(jiān)測；STM32；環(huán)境感知

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.248

0 引言

隨著我國綜合實力的不斷提升，以及個人生活水平的提高，空氣質(zhì)量也隨之發(fā)生劇烈變化。一方面，在許多重工業(yè)生產(chǎn)中，有害氣體的釋放與泄露成為影響空氣質(zhì)量的主要因素。空氣質(zhì)量的變化導(dǎo)致了許多自然災(zāi)害的發(fā)生，例如酸雨，溫室效應(yīng)，霧霾等。另一方面，隨著生活水平提高，室內(nèi)裝修熱不斷提升，室內(nèi)空氣污染也日益嚴重。為了節(jié)省能源，建筑物密度封閉程度的不斷提高，導(dǎo)致裝修材料和家具等揮發(fā)的有害氣體不能及時排出。相關(guān)信息顯示：封閉環(huán)境更易受到污染。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

早在20世紀90年代，歐美等發(fā)達國家先后成立室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測中心，用來監(jiān)測政府、學(xué)校、醫(yī)院等不同室內(nèi)環(huán)境的空氣數(shù)據(jù)。在已上市的空氣質(zhì)量監(jiān)測產(chǎn)品中，美國的ESC公司生產(chǎn)的Z.300型甲醛檢測儀，英國PPM公司生產(chǎn)的PPM-400型甲醛測試儀較受歡迎。較之國外，我國對空氣質(zhì)量研究起步較晚，21世紀初，國內(nèi)專家學(xué)者先后編制室內(nèi)空氣質(zhì)量相關(guān)法治，并不定期舉辦專題研討會，根據(jù)監(jiān)測儀獲取的數(shù)據(jù)確定污染源，以采取合適方案來控制污染源。目前上市設(shè)備有北京賓達綠創(chuàng)科技有限公司生產(chǎn)的甲醛測定儀 XP.308、江蘇安普電子工程有限公司生產(chǎn)的400型甲醛分析儀等。

2 環(huán)境感知遠程終端單元設(shè)計與實現(xiàn)

本模塊以STM32開發(fā)板為基礎(chǔ)，結(jié)合甲醛、PM2.5、等傳感器，實現(xiàn)室內(nèi)空氣參數(shù)的采集與處理，再通過ModBus將數(shù)據(jù)上傳交于上位機。監(jiān)測終端模塊主要有數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元以及數(shù)據(jù)顯示單元四部分組成。

2.1 數(shù)據(jù)采集單元

這一單元主要負責(zé)信息采集，將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號輸出。經(jīng)測量參數(shù)及性價比最終確定，甲醛傳感器為ME3M-CH20型電化學(xué)甲醛傳感器，PM2.5傳感器重慶山蘭機電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的GCG1000粉塵濃度傳感器，濃度傳感器為明德大方科技有限公司的M1601二氧化碳傳感器。

2.2 數(shù)據(jù)處理單元

數(shù)據(jù)處理單元負責(zé)處理數(shù)據(jù)并儲存轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)系統(tǒng)整體的協(xié)調(diào)和控制。該單元主要由CPU、存儲器、接口電路等硬件和操作系統(tǒng)組成。主控單元芯片為STM32F103ZET6，內(nèi)存為1T，單時鐘/機器周期。主要采用引腳為5V、3.5V電壓源，RXD，RXD2，TXD2，DSPORT，DS18B20I/O數(shù)據(jù)端，LCD液晶顯示接口控制引腳。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸單元

利用ModBus協(xié)議，實現(xiàn)信息上傳到后臺，這正是本設(shè)計的創(chuàng)新點。Modbus總線網(wǎng)絡(luò)是一種主從式的網(wǎng)絡(luò)，采用ASCII碼傳輸模式，每8字節(jié)可采用2個ASCII碼發(fā)送，根據(jù)該通信協(xié)議要求，主機發(fā)送給模塊的指令格式為：（前導(dǎo)字符）（地址）（命令）[CHKSUM]（CR）。

2.4 數(shù)據(jù)顯示單元

本設(shè)計采用LCD1602顯示屏，該屏幕用來顯示甲醛、PM10、濃度測量值。顯示結(jié)果為三行，每行由十六個字符組成。當(dāng)發(fā)送指令和數(shù)據(jù)給顯示程序時，根據(jù)指令函數(shù)顯示返回結(jié)果。

2.5 結(jié)果

本實驗以粉塵濃度傳感器和M1601二氧化碳傳感器測量值為例，屏幕顯示PM2.5、PM10和濃度測量值。

實驗結(jié)果圖如下所示：

3 結(jié)束語

隨著人民生活水平的提高，室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測已受到全社會的關(guān)注，室內(nèi)空氣質(zhì)量的標準也被重新制定。人類生存離不開空氣，人的一生大多半的時間是在室內(nèi)度過的，特別是老、弱、病、殘等體弱者在室內(nèi)活動時間更長，因此室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的好壞直接影響著他們的身心健康。對于像我國這樣人口眾多的國家，加強室內(nèi)空氣檢測，維持一個綠色的居住、辦公場所，讓廣大人民都擁有一個健康的體魄，顯得尤為重要。

本課題通過確定甲醛，PM2.5，以及濃度為基本測量參數(shù)，實現(xiàn)空氣質(zhì)量參數(shù)的智能采集和上傳，并將數(shù)據(jù)顯示在上位機，以及根據(jù)設(shè)定的閾值進行實時監(jiān)控與報警。系統(tǒng)采用STM32F103ZET6系列作為控制核心，采用ME3M-CH20型電化學(xué)甲醛傳感器，高精度激光檢測 PM2.5 傳感器、以及傳感器來采集各參數(shù)信息。上傳送數(shù)據(jù)使用ModBus協(xié)議，高效、便捷。通過此模塊與上位機監(jiān)測軟件相連接，可實時顯示測量數(shù)據(jù)，進一步走向智能健康化生活。

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