杜英魁，楊國棟，李 娟，張首星，孫 博，原忠虎

（1.沈陽大學信息工程學院，沈陽 110014；2.沈陽大學體育學院，沈陽 110014）

0 引言

已有研究表明，居室裝修導致的室內(nèi)空氣污染會對人體健康造成嚴重的危害。當甲醛濃度高于0.08 mg/m，會直接對眼睛、肝臟和肺部產(chǎn)生嚴重影響，甚至會導致血癌?？倱]發(fā)性 有 機 物（total volatile organic compounds，TVOC）如苯類揮發(fā)性有機物，主要來源于各種建筑材料、家具、涂料、壁紙和黏合劑等。世界衛(wèi)生組織國際癌癥研究機構(gòu)公布的致癌物清單中，甲醛和苯為一類致癌物。

室內(nèi)的甲醛和TVOCs的監(jiān)測，主要有離線監(jiān)測和在線監(jiān)測兩種方式。離線監(jiān)測方式依據(jù)《室內(nèi)空氣質(zhì)量標準》（GB/T 18883-2002）國家標準，甲醛采用苯酚試劑分光光度法測定。TVOCs采用氣相色譜儀分析，成本高、監(jiān)測周期間隔大。在線監(jiān)測方式是利用電化學和半導體傳感器，進行甲醛和TVOCs濃度實時連續(xù)監(jiān)測，具有長時監(jiān)測和成本極低的突出優(yōu)勢。

本文設計了一種結(jié)構(gòu)緊湊的甲醛和總揮發(fā)性有機物濃度無線監(jiān)測終端，以ESP-12F模組為核心器件，將數(shù)據(jù)采集、顯示和無線傳輸?shù)裙δ苓M行了一體化集成設計，有效降低了終端體積和功耗。一鍵式網(wǎng)絡連接設計，則極大地簡化了用戶網(wǎng)絡設置過程。

1 監(jiān)測終端的硬件設計

1.1 ESP-12F模組

ESP-12F模組的幾何尺寸僅為24 mm×16 mm×3 mm，如圖1所示。內(nèi)置WIFI前端和高性能的32位MCU。

圖1 ESP-12F模組

該模組支持UART、I2C、PWM、GPIO等多種模式。支持80MHz和160MHz主頻，支持IEEE 802.11 b/g/n協(xié)議，具有完整TCP/IP協(xié)議棧，集成板載天線。支持RTOS。

該模塊能耗極低。深度睡眠保持電流僅為10 uA，關斷電流小于5 uA，待機狀態(tài)消耗功率小于1 mW，喚醒時間小于2 ms。本文能耗控制采用睡眠模式。

1.2 甲醛和總揮發(fā)性有機物濃度傳感器

傳感器采用DS-HCHO-20電化學和半導體雙模集成數(shù)字式傳感器，幾何尺寸為29 mm×14 mm×9 mm，如圖2所示。內(nèi)置電化學和半導體雙模塊，內(nèi)置數(shù)據(jù)處理單元采用雙模塊修正經(jīng)驗算法，兼容TVOC標定曲線，不同溫度和濕度環(huán)境數(shù)據(jù)自動修正，UART通信模式。

圖2 DS-HCHO-20傳感器

1.3 集成設計

設計了下載電路和復位電路，以ESP-12F為核心模組，進行了無線監(jiān)測終端的硬件系統(tǒng)集成，如圖3所示。利用ESP-12F模組GPIO端口的狀態(tài)，配置CPU的運行模式，實現(xiàn)了程序下載和運行之間的模式切換。復位電路用于保證系統(tǒng)處于確定狀態(tài)，并從初態(tài)開始工作。

圖3 終端系統(tǒng)組成

數(shù)據(jù)顯示方面，則采用0.91寸低功耗OLED液晶屏。ESP-12F模組通過GPIO模擬IIC時序驅(qū)動屏幕顯示。依據(jù)《民用建筑工程室內(nèi)環(huán)境污染控制規(guī)范》（GB50325-2001）國家標準，利用采集到的甲醛和總有機揮發(fā)物濃度數(shù)據(jù)，自動進行空氣質(zhì)量的優(yōu)、良、差三級評價和顯示，用戶可據(jù)此判斷甲醛和總有機揮發(fā)物的濃度是否處于安全水平。

2 通信協(xié)議

2.1 心跳機制

設計了心跳機制。周期性地查詢當前端云網(wǎng)絡通信狀態(tài)，以解決長時間斷網(wǎng)條件下的長鏈接更新以及云端無效鏈接請求的資源消耗問題，不僅能夠保證云平臺監(jiān)控系統(tǒng)有效地得到各節(jié)點的網(wǎng)絡連接狀態(tài)，也大幅降低了云端網(wǎng)絡通信資源消耗。

這個用于周期性查詢網(wǎng)絡狀態(tài)的數(shù)據(jù)幀由起始符、詢問標識符和設備識別碼組成。除了設備識別碼唯一之外，其他位的數(shù)據(jù)是統(tǒng)一的。

2.2 應答機制

應答包設備識別碼與上傳數(shù)據(jù)通信協(xié)議設備識別碼相同，主控芯片通過解析云平臺下發(fā)的應答包判斷數(shù)據(jù)是否上傳成功。同心跳包類似，應答包也包含起始字符、標識符和設備識別碼，同時應答包還包括接收時間和BCC校驗碼。

2.3 設備登錄通信協(xié)議

云平臺依據(jù)該協(xié)議判斷設備是否登錄成功否則，中斷后續(xù)操作。登錄幀里除起始字符、命令標識字符、設備識別碼之外還增加有數(shù)據(jù)單元長度、數(shù)據(jù)單元內(nèi)容兩個數(shù)據(jù)段。

2.4 設備校時通信協(xié)議

用于保證數(shù)據(jù)上傳時帶有的時間戳的正確性。硬件終端開機后對RTC功能進行初始化設置，使能PWR時鐘和后備寄存器，配置RTC的時鐘源并使能RTC時鐘。設置分頻系數(shù)和時鐘格式、初始化時間和日期。

2.5 數(shù)據(jù)上傳通信協(xié)議

數(shù)據(jù)上傳通信協(xié)議，如表1所示。由基礎的起始字符、命令單元、設備設別碼、數(shù)據(jù)包里特有的數(shù)據(jù)加密方式、數(shù)據(jù)單元長度、可擴展數(shù)據(jù)單元、校驗碼組成。

表1 數(shù)據(jù)上傳的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)和定義

3 終端片上軟件設計

片上軟件設計，包括數(shù)據(jù)采集模塊、手機配網(wǎng)模塊、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸模塊和網(wǎng)絡連接狀態(tài)監(jiān)測模塊組成。片上軟件的執(zhí)行流程如圖4所示。

圖4 片上軟件流程

ESP-12F模組內(nèi)嵌的ESP8266芯片SDK采用基于“內(nèi)核回調(diào)”編程方式。對于輪詢?nèi)蝿蘸捅O(jiān)測狀態(tài)，無法采用常規(guī)單片機的“主循環(huán)”編程方式實現(xiàn)，需要依靠用戶任務或定時器回調(diào)函數(shù)來完成。本文采用定時器回調(diào)函數(shù)方式。

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

初始化硬件定時器。內(nèi)核將調(diào)用硬件回調(diào)函數(shù)，在回調(diào)函數(shù)中通過串口問詢傳感器，并通過串口接收中斷處理傳感器采集的數(shù)據(jù)。

對數(shù)據(jù)進行解析后，首先將數(shù)據(jù)通過OLED屏幕進行實時顯示，再根據(jù)數(shù)據(jù)通信協(xié)議進行打包，通過數(shù)據(jù)傳輸模塊，上傳至云端。

3.2 配網(wǎng)模塊

設置網(wǎng)絡連接狀態(tài)監(jiān)測軟件定時器，讀取flash中已保存的路由信息然后自動連接。在軟件定時器回調(diào)函數(shù)中設計網(wǎng)絡連接狀態(tài)監(jiān)測函數(shù)，若網(wǎng)絡連接成功，則關閉軟件定時器并設置TCP連接，開啟網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸軟件定時器。若網(wǎng)絡連接失敗，則開啟手機配網(wǎng)。

采用“Smartconfig”方式，通過APP或微信公眾號進行配網(wǎng)。開啟sniffer模式，掃描所有開啟的路由器。通過手機UDP組播發(fā)送加密SSID和PASSWORD信息。ESP8266抓取并解密SSID和PASSWORD信息，從而連接路由。

3.3 網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸模塊

系統(tǒng)連接路由成功后，將配置網(wǎng)絡信息，通過服務器IP地址或域名信息連接服務器。同時，開啟網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸軟件定時器，在軟件定時回調(diào)函數(shù)中調(diào)用打包的傳感器采集數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡發(fā)送給服務器。

利用TCP連接的接收回調(diào)函數(shù)，接收服務器的報文信息，判斷服務器連接狀態(tài)和接收信息，若發(fā)送失敗則重新發(fā)送，直至連續(xù)第3次發(fā)送失敗即放棄本次發(fā)送。若因服務器斷開TCP連接，則設備將通過TCP連接的成功斷開回調(diào)函數(shù)。

3.4 網(wǎng)絡連接狀態(tài)監(jiān)測模塊

監(jiān)測終端對云平臺的網(wǎng)絡鏈接狀態(tài)主動監(jiān)測。設備上電或復位之后，設備首次連接已保存路由信息時的狀態(tài)監(jiān)測。

若無路由信息或路由信息改變時，將由網(wǎng)絡連接狀態(tài)監(jiān)測任務啟動設備配網(wǎng)模式，通過閃屏的方式告訴用戶需要通過手機APP進行配置有效的網(wǎng)絡。

首次監(jiān)測網(wǎng)絡連接狀態(tài)后，將關閉網(wǎng)絡連接狀態(tài)監(jiān)測軟件定時器，由更為可靠的硬件定時器監(jiān)測網(wǎng)絡連接狀態(tài)，若發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡連接失敗，立即開啟配網(wǎng)模式。軟件定時器基于內(nèi)核任務和內(nèi)核資源實現(xiàn)。通過軟件定時器和硬件定時器的嵌套使用輪詢監(jiān)測，能夠有效保了網(wǎng)絡連接的可靠和CPU資源的合理分配。

云平臺對監(jiān)測終端的網(wǎng)絡鏈接狀態(tài)主動監(jiān)測。云平臺根據(jù)心跳機制，周期性主動向監(jiān)測終端發(fā)送心跳包，解析并判斷網(wǎng)絡連接狀態(tài)。在本文中，設置最大間隔為30 s，最大間隔實踐內(nèi)，若未收到終端發(fā)送的心跳包，云端認為網(wǎng)絡中斷，自動刪除該終端節(jié)點的網(wǎng)絡長鏈接數(shù)據(jù)，終端狀態(tài)設置為設備下線。

4 軟件設計

4.1 APP軟件設計

基于Vue輕量級漸進式框架和Apache Cordova插件混合開發(fā)。具有對終端甲醛檢測儀的數(shù)據(jù)可視化分析、設備配置管理以及用戶管理等功能。采用Vue-Router、Vue-x、local Storage、Session Storage等插件，實現(xiàn)頁面路由跳轉(zhuǎn)配置，完成對用戶信息、設備信息以及組件的狀態(tài)管理和存儲。利用proxy Table代理解決前端開發(fā)的跨域問題。

使用AJAX請求后端服務提供的API接口，從而得到JSON格式的監(jiān)測數(shù)據(jù)。基于ECharts圖表庫，進行數(shù)據(jù)可視化分析的圖形化表達。通過AppVersion、FileTransfer、FileOpener2等插件，完成APP軟件的版本號讀取、文件下載、打開文件等軟件安裝步驟以及在線升級功能。

4.2 云平臺設計

基于SpringBoot微服務框架，主要實現(xiàn)對終端甲醛檢測儀的登錄處理以及對采集數(shù)據(jù)的處理?；赥CP協(xié)議，云端與終端依據(jù)自定義數(shù)據(jù)通信協(xié)議來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸以及業(yè)務下發(fā)。云端微服務平臺主要包括兩個部分：

（1）網(wǎng)關微服務?；贜etty高性能技術框架開發(fā)，實現(xiàn)對無線監(jiān)測終端節(jié)點的高并發(fā)接入，數(shù)據(jù)存儲于Redis高速緩存數(shù)據(jù)庫。

（2）應用后臺微服務。采用Spring、Spring MVC以及My batis plus等后端Web技術搭建，主要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)以及終端設備的CRUD業(yè)務邏輯編寫，為客戶端應用程序提供基于HTTP/IP協(xié)議的RESTful API接口。其中，后端監(jiān)控微服務執(zhí)行流程，如圖5所示。

圖5 后端監(jiān)控微服務執(zhí)行流程

5 實驗測試

5.1 無線監(jiān)測終端離線數(shù)據(jù)采集測試

采集終端運行測試內(nèi)容是模組定時問詢傳感器，并解析傳感器的數(shù)據(jù)，并在OLED屏幕上實時顯示。硬件電路實物，如圖6所示。

圖6 終端硬件電路實物

終端功能測試結(jié)果，如圖7所示。

圖7 監(jiān)測終端功能測試結(jié)果

5.2 網(wǎng)絡通信測試

網(wǎng)絡通信測試主要包括：設備連接路由是否穩(wěn)定可靠、配網(wǎng)功能是否有效、網(wǎng)絡連接成功之后網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸是否可靠且穩(wěn)定。通信實驗的測試過程包括以下幾個部分。

（1）上電重啟設備，測試是否能夠主動重連有效路由。

（2）若路由信息修改或無有效路由，測試設備是否進入配網(wǎng)模式且配網(wǎng)是否成功。

（3）當連接路由成功之后，測試向云端的數(shù)據(jù)上傳是否成功。

如圖8所示，串口調(diào)試助手顯示的TCP接收回調(diào)函數(shù)中接收的服務器應答信息，表明了無線監(jiān)測終端數(shù)據(jù)上傳成功。

圖8 網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸測試結(jié)果

數(shù)據(jù)上傳成功后，APP頁面監(jiān)測數(shù)據(jù)實時顯示和圖形可視化分析頁面，如圖9所示。

圖9 APP軟件的數(shù)據(jù)顯示頁面

6 結(jié)語

本文研發(fā)了一種面向室內(nèi)環(huán)境安全的便攜式甲醛和總揮發(fā)性有機物監(jiān)測系統(tǒng)，以ESP-12F模組為核心器件，通過數(shù)據(jù)采集、顯示和傳輸功能的一體化集成設計，有效降低了終端功耗。跟據(jù)自定義數(shù)據(jù)通信協(xié)議所開發(fā)的一鍵配網(wǎng)和遠程監(jiān)控等軟件功能，則有有效簡化了用戶操作過程。