薩良兵 劉華

摘 要：設(shè)計(jì)了一個(gè)基于Arduino Mega 2560為主控芯片、以MQ-4甲烷傳感器、MQ-7一氧化碳傳感器、MQ-137氨氣傳感器、

MH-Z14二氧化碳?xì)怏w傳感器和DHT11溫濕度傳感器為數(shù)據(jù)采集模塊的室內(nèi)空氣采集系統(tǒng)平臺(tái)。該系統(tǒng)可以通過A/D、D/A轉(zhuǎn)換和串口實(shí)時(shí)讀取空氣中氣體濃度，并能與上位機(jī)中的Matlab實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。通過實(shí)驗(yàn)室測試和調(diào)整，較好地實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能。

關(guān)鍵詞：Arduino；氣體傳感器；Matlab

中圖分類號(hào)：TP274+.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）26-0051-03

Abstract： An indoor air acquisition system platform based on Arduino Mega 2560 is designed， in which MQ-4 methane sensor， MQ-7 carbon monoxide sensor， MQ-137 ammonia sensor， MH-Z14 carbon dioxide sensor and DHT11 temperature and humidity sensor are used as data acquisition modules. The system can read the gas concentration in the air in real time through A/D， D/A conversion and serial port， and can transmit data with Matlab in the host computer. Through the laboratory test and adjustment， the expected function is achieved.

Keywords： Arduino； gas sensor； Matlab

室內(nèi)空氣采集[1]，是指對(duì)室內(nèi)某些氣體含量進(jìn)行檢測并采集，直接反映了室內(nèi)空氣質(zhì)量情況，也體現(xiàn)了空氣中污染物濃度的高低。根據(jù)室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB/T18883-2002）[2]，室內(nèi)空氣質(zhì)量參數(shù)是指室內(nèi)空氣中與人體健康有關(guān)的物理、化學(xué)、生物和放射性參數(shù)。

美國估計(jì)因室內(nèi)空氣質(zhì)量惡化所造成的損失每年為590億美元[3]。故出于人體健康安全角度考慮，室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測具有立竿見影的效果，即可以讓人們隨時(shí)清楚的知道室內(nèi)空氣污染物的濃度，采取相應(yīng)的防范措施。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)邏輯可分為三部分，總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1，整體實(shí)物圖如圖2：

讀取傳感器數(shù)據(jù)：根據(jù)每種傳感器輸出的數(shù)據(jù)類型，利用A/D、PWM波將數(shù)據(jù)采集到核心控制器。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：將控制器所讀取到的數(shù)據(jù)經(jīng)過相應(yīng)的D/A和數(shù)學(xué)公式轉(zhuǎn)換成實(shí)際的氣體濃度模擬量。

數(shù)據(jù)傳輸：控制器和上位機(jī)中Matlab編寫相應(yīng)的程

序，通過串口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，將數(shù)據(jù)保存到Excel中。

2 傳感器

2.1 MQ系列氣體傳感器

MQ-4甲烷傳感器、MQ-7一氧化碳傳感器和MQ-137氨氣傳感器等MQ系列采用的氣敏材料都是二氧化錫（SnO2），因?yàn)槠潆妼?dǎo)率較低。采用簡單電路就能把由于氣體濃度的變化導(dǎo)致電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)輸出[4]。

由模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)濃度如公式（1）-（3）：

2.2 溫濕度傳感器

DHT11（Digital Humidity Temperature）是能夠檢測到溫度和濕度的數(shù)字信號(hào)輸出的傳感器，它內(nèi)部含有對(duì)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)。傳感器內(nèi)部包括一個(gè)NTC測溫元件和一個(gè)電阻式感濕元件，并和一個(gè)8位高性能的單片機(jī)相連接。

2.3 二氧化碳傳感器

MH-Z14二氧化碳?xì)怏w傳感器（以下簡稱MH-Z14傳感器）利用NDIR（非色散紅外）原理對(duì)空氣中的CO2進(jìn)行檢測。它不僅體積小，而且還非常的智能通用，提供3種不同方式的輸出信號(hào)（模擬電壓、UART和PWM波），內(nèi)置溫度補(bǔ)償。它還具有很好的選擇性，對(duì)氧氣無依賴，壽命長。

MH-Z14傳感器的PWM波輸出的整個(gè)周期為1004ms，周期起始段為高電平輸出2ms，周期結(jié)束段為低電平輸出2ms。PWM波輸出見圖10。

PWM轉(zhuǎn)換成濃度如公式（4）：

3 系統(tǒng)調(diào)試

3.1 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)部分，初始化設(shè)置波特率和引腳等，接著主程序讀取傳感器數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換，最后將實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱?，供Matlab讀取，等待一分鐘進(jìn)行下一次的數(shù)據(jù)讀取。

上位機(jī)部分，將傳輸?shù)酱诘臄?shù)據(jù)保存在Matlab的數(shù)組當(dāng)中，再將數(shù)據(jù)保存在Excel表中。

3.2 數(shù)據(jù)采集

各個(gè)傳感器與Mega 2560的接法和輸出的信號(hào)形式等如表1所示：

系統(tǒng)調(diào)試成功后，結(jié)果如圖12所示。

由圖12可知當(dāng)前甲烷濃度為975.68ppm，一氧化碳濃度為168.22ppm，氨氣濃度為41.09ppm，二氧化碳濃度為545.45ppm，溫度為24攝氏度，濕度為18RH。

4 Matlab數(shù)據(jù)處理

4.1 數(shù)據(jù)歸一化

系統(tǒng)連續(xù)工18個(gè)小時(shí)，記為第一次數(shù)據(jù)采集，原始數(shù)據(jù)如圖13所示。

當(dāng)數(shù)據(jù)采集完成后，由于數(shù)據(jù)中各種參數(shù)之間的大小范圍或單位都不相同，在作圖時(shí)就會(huì)導(dǎo)致數(shù)值較大的數(shù)據(jù)掩蓋了數(shù)值較小的數(shù)據(jù)所發(fā)展的趨勢(shì)，故首先要對(duì)數(shù)據(jù)歸一化處理。選用mapminmax（）歸一化函數(shù)，它是Matlab軟件中自帶的函數(shù)，它能按照一種映射方法將數(shù)據(jù)歸一化到[-1，1]之間，并且不改變?cè)瓟?shù)據(jù)的規(guī)律。

利用Matlab將數(shù)據(jù)歸一化后如圖14。

4.2 數(shù)據(jù)平滑化

由圖13可以看出，只有數(shù)值較大的CH4和CO2的趨勢(shì)較為明顯，數(shù)值較小的溫度和濕度變化趨勢(shì)幾乎沒有。而圖14是經(jīng)過歸一化處理后的數(shù)據(jù)，就能夠很明顯的看出每種參數(shù)的變化趨勢(shì)，但是由于數(shù)據(jù)存在波動(dòng)問題，因此還要對(duì)數(shù)據(jù)平滑化處理。

在Matlab中數(shù)據(jù)的平滑函數(shù)用的是Z=smooth（Y，pan，method）函數(shù)。對(duì)于method有moving單純移動(dòng)平均、lowess線性加權(quán)平滑、loess二次加權(quán)平滑等多種選擇，對(duì)數(shù)據(jù)平滑化處理選擇的是pan=12和method為loess方法。

以CH4為例，圖15中紅色曲線是歸一化后的數(shù)據(jù)，藍(lán)色曲線是平滑化后的數(shù)據(jù)。

4.3 數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析

第一次室內(nèi)空氣采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過歸一化和平滑化處理后，結(jié)果如圖16。

以CO2數(shù)據(jù)曲線為例，可見在3個(gè)時(shí)間段內(nèi)有數(shù)據(jù)波動(dòng)。第一個(gè)時(shí)間段位有較大的數(shù)據(jù)波動(dòng)，實(shí)際情況是當(dāng)時(shí)室內(nèi)人數(shù)達(dá)到30人左右。以此類推將數(shù)據(jù)波動(dòng)與實(shí)際情況對(duì)比發(fā)現(xiàn)都吻合，說明采集到的數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。

5 設(shè)計(jì)總結(jié)

本文搭建了通過以Arduino Mega 2560為主控芯片、以MQ-4甲烷傳感器、MQ-7一氧化碳傳感器、MQ-137氨氣傳感器、MH-Z14二氧化碳?xì)怏w傳感器和DHT11溫濕度傳感器為數(shù)據(jù)采集模塊的室內(nèi)空氣采集系統(tǒng)平臺(tái)。該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)讀取室內(nèi)指定的氣體濃度數(shù)據(jù)，并通過上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與處理。數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析和準(zhǔn)確性的驗(yàn)證，結(jié)果表明數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。

參考文獻(xiàn)：

[1]潘小川.室內(nèi)空氣質(zhì)量對(duì)人體健康的影響[J].中國科學(xué)基金，2005（04）：205-208.

[2]GB/T18883-2002.室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3]呂品.室內(nèi)空氣質(zhì)量控制中關(guān)鍵檢測技術(shù)的研究[D].大連理工大學(xué)，2008.

[4]https：//wenku.baidu.com/view/450f8c1352d380eb62946d62.html？from=search[EB/OL].