李清宇 趙 龍 何萬民 王學義 杜海英

（1.大連民族大學機電工程學院，遼寧 大連 116605；2.大連民族大學創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育學院，遼寧 大連 116605）

世界經(jīng)濟全球化加快了工農(nóng)業(yè)發(fā)展進程，由此帶來的大氣環(huán)境污染已經(jīng)成為危害人類公共健康和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的主要風險[1-3]。大氣中常見的6種環(huán)境污染物，包括臭氧（O3）、氮氧化物（NOx）、二氧化硫（SO2）、一氧化碳（CO）和顆粒物（PM）會增加人體患心血管疾病和呼吸系統(tǒng)疾病的可能性[4]，給人類身體健康帶來了巨大威脅。因此，大氣環(huán)境質(zhì)量受到越來越多的關注，大氣環(huán)境質(zhì)量的實時精準監(jiān)測需求也在不斷提升[5]。

該文融合單片機技術、傳感器檢測技術與物聯(lián)網(wǎng)技術，設計開發(fā)了一款基于STM32的大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測儀，采用4個電化學氣體傳感器和一個激光粉塵傳感器，進行6種主要大氣環(huán)境污染物濃度的周期性循環(huán)在線監(jiān)測，基于無線傳輸技術實現(xiàn)與Android設備的實時通信，提供濃度預警、濃度顯示、數(shù)據(jù)存儲和云端數(shù)據(jù)共享等功能，為大氣環(huán)境質(zhì)量實時監(jiān)測提供了有效解決方案，也為大氣環(huán)境監(jiān)測和大氣污染評估開辟了新途徑。

1 硬件設計

基于單片機的大氣環(huán)境監(jiān)測儀由氣體檢測模塊、固體顆粒檢測模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、液晶顯示模塊、外部電源模塊、無線傳輸模塊和聲光報警模塊7個部分組成。大氣環(huán)境監(jiān)測儀硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 大氣環(huán)境監(jiān)測儀硬件系統(tǒng)框圖

1.1 氣體檢測模塊設計

氣體檢測模塊由4個電化學傳感器及其外圍電路組成，傳感器型號分別為ME3-O3、ME3-NO2、ME3-SO2和ME3-CO，分別檢測空氣中O3、NO2、SO2和CO這4種環(huán)境污染氣體濃度。電化學傳感器的外圍電路包括控制電路、電平保持電路和測量電路?？刂齐娐穼⑦\算放大器的反向輸入端連接到參比電極（RE），輸出端連接到對電極（CE），通過運算放大器向?qū)﹄姌O（CE）提供電流，以平衡工作電極（WE）所需電流。測量電路通過單極運算放大器將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，利用運算放大器輸入阻抗大，輸出阻抗小的特性，產(chǎn)生相對虛擬地端的參考電壓。電壓可以反應氣體的濃度值。電平保持電路在斷電時能夠?qū)⒈入姌O（RE）和工作電極（WE）短接，減少通電時傳感器的負反饋調(diào)節(jié)時間。

1.2 AD轉(zhuǎn)換模塊設計

AD轉(zhuǎn)換模塊選用型號為PCF8591的AD轉(zhuǎn)換芯片，AD轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。SCL與SDA分別為串行時鐘線和串行數(shù)據(jù)線，連接至單片機的PB10、PB11引腳并進行數(shù)據(jù)傳輸，同時需要連接10k的上拉電阻，保證總線空閑時接入高電平。VREF引腳接入3.3V，此時輸出數(shù)據(jù)最大值對應3.3V，設轉(zhuǎn)換結(jié)果為a，則電壓的計算如公式（1）所示。

式中：U為轉(zhuǎn)換后的電壓值；a為傳感器輸入數(shù)據(jù)。

1.3 外部電源模塊設計

大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測儀硬件電路中主控模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊和無線傳輸模塊需要DC 3.3V供電，其余模塊則需要DC 5V供電。將外部接入的DC 5V通過AMS1117穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)換為DC 3.3V，分別為不同的模塊供電。

2 軟件設計

大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測儀通過4個電化學傳感器和一個激光粉塵傳感器采集6種環(huán)境污染物的濃度。氣體檢測模塊將氣體濃度對應的電壓信號輸入單片機，單片機將輸入信號進行濾波處理。濾波后的數(shù)據(jù)通過氣體濃度轉(zhuǎn)換算法轉(zhuǎn)換為對應濃度值，最后根據(jù)不同氣體的濃度數(shù)據(jù)進行交叉干擾補償[6]。顆粒物檢測模塊通過串口與單片機進行數(shù)據(jù)傳輸，每隔1s上傳一次數(shù)據(jù)。處理后的數(shù)據(jù)實時顯示在顯示屏上，同時通過無線傳輸模塊同步傳輸至手機App。當檢測濃度超出閾值時，觸發(fā)聲光報警，進行濃度預警和提示。

2.1 氣體濃度轉(zhuǎn)換算法

電化學傳感器的響應電壓與氣體濃度具有良好的線性關系，通過兩點法確定響應電壓與濃度的線性關系方程[7]。以CO傳感器為例，在環(huán)境溫度25℃、相對濕度40%RH的條件下，測得潔凈空氣中CO傳感器響應電壓值為U0，對應氣體濃度值為N0，通入濃度值為N1的CO標準氣體，測得響應電壓值為U0。根據(jù)A（U0，N0）、B（U0，N1）2點確定CO傳感器響應電壓與CO濃度的線性關系。CO氣體濃度值與傳感器響應電壓線性關系圖如圖3所示，則當前環(huán)境下被測目標氣體濃度值Nx的計算如公式（2）所示。

圖3 CO氣體濃度值與傳感器響應電壓線性關系圖

式中：Nx、Ux為待測氣體濃度值和響應電壓值；N0、U0為空氣中CO濃度值和響應電壓值；N1、U0為通氣后CO濃度值和響應電壓值。

2.2 數(shù)字濾波算法

電化學傳感器的輸出信號受較多因素干擾，不可避免地會混雜一些噪聲。采用防脈沖干擾平均濾波算法對信號進行濾波處理，先對N個數(shù)據(jù)并進行比較，去掉其中的最大值和最小值，然后計算余下N-2個數(shù)據(jù)的算數(shù)平均值。防脈沖干擾平均濾波算法能夠有效克服偶然出現(xiàn)的脈沖干擾，對變化緩慢的氣體信號采樣過程中的脈沖干擾信號具有良好的濾波效果[8]，如公式（3）所示。

式中：Y為濾波后的輸出值；X（K）為測量值，K=1，2，…，N；N為數(shù)據(jù)個數(shù)，為了加快計算速度，N值取12。

2.3 交叉干擾閾值修正數(shù)學模型

為了克服氣體間的交叉干擾現(xiàn)象，最大程度降低干擾氣體對目標氣體測量的影響，該文采用了一種交叉干擾閾值修正數(shù)學模型，以降低交叉干擾產(chǎn)生的數(shù)據(jù)誤差[9]。通過計算氣體間的干擾閾值，對檢測數(shù)據(jù)進行補償，計算出真實的氣體濃度。氣體傳感器交叉干擾特性表見表1。根據(jù)表1中的交叉干擾閾值計算出氣體間的干擾系數(shù)k。濃度測量值和濃度真實值如公式（4）、公式（5）所示。

表1 氣體傳感器交叉干擾特性表

通過交叉干擾關系可以得出公式（6）。

式中：系數(shù)kxy為x氣體對y傳感器的干擾系數(shù)；X為濃度測量值，用對應氣體首字母小寫表示；Y為濃度真實值，用對應氣體首字母大寫表示。

即Y=kX，其中Y和k均可測得，求解方程即可得出實際濃度值X。

2.4 Android程序設計

手機App數(shù)據(jù)接收端是基于Android studio編程環(huán)境設計的，語言開發(fā)為Java，通過藍牙與檢測設備進行數(shù)據(jù)通信，同步顯示6種大氣污染物的濃度數(shù)據(jù)，相關數(shù)據(jù)同步傳輸至云平臺并儲存。

3 系統(tǒng)安裝與測試

對大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測儀進行安裝和調(diào)試，預熱后校正零點，測試結(jié)果如圖4所示。在環(huán)境溫度25℃、相對濕度40%RH的條件下，使用4種標準氣體O3、NO2、SO2和CO配制混合氣氛，模擬變化的真實大氣環(huán)境，對儀器的抗交叉干擾性能進行4次動態(tài)測試。6種污染物的測量最大相對誤差分別為3.3%、4%、2%、2%、0.6%和1%，精度均保持在5%以下，說明該儀器對混合氣體具有良好的氣體檢測精度和辨識能力。

圖4 大氣質(zhì)量監(jiān)測儀測試圖

為了測試監(jiān)測儀的長期穩(wěn)定性，分別對O3、NO2、SO2和CO這4種污染氣體的同一濃度進行8次重復性測試，大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測儀重復性測試曲線如圖4（a）所示，測試相對誤差均小于1%。測試結(jié)果表明，大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測儀具有良好的重復性和穩(wěn)定性。在開放的室外環(huán)境下，對6種主要污染物的濃度進行24h循環(huán)監(jiān)測，并對全天6個時間點位的污染物濃度進行采樣分析。24h室外環(huán)境污染物濃度分析如圖4（b）所示?？梢钥闯?，大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測儀能夠?qū)Υ髿猸h(huán)境質(zhì)量進行有效監(jiān)測。

4 結(jié)論

該文針對大氣環(huán)境污染物開發(fā)的基于STM32的大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測儀，具有結(jié)構簡單、集成度高、對目標氣體響應迅速且穩(wěn)定性好等優(yōu)點。對混合氣體的具有良好的抗干擾能力，可實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)共享和手機終端的實時監(jiān)測功能，檢測精度不超過5%。大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測儀的開發(fā)實現(xiàn)了環(huán)境污染檢測裝置的小型化、集成化和網(wǎng)絡化，為當?shù)丨h(huán)境質(zhì)量監(jiān)測提供了詳實、準確的數(shù)據(jù)，為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供保障，具有廣泛的應用前景。