家庭“環(huán)保衛(wèi)士”檢測儀

王 剛,何阿雷,秦 剛,李雪艷,程 耀

（西安工業(yè)大學 電子信息工程學院,西安 710021）

0 引言

近年來，空氣和水質(zhì)量污染嚴重。PM2.5表示每立方米空氣中直徑小于或等于 2.5μm的固體顆粒或液滴這種顆粒的含量，該值越高，就代表空氣污染越嚴重。PM2.5、甲醛和水中的氨氮的含量超標都會影響人們的身體健康，所以我們需要實時的檢測室內(nèi)有害物質(zhì)的含量以便做出相應的措施。現(xiàn)在國內(nèi)市場上還沒有一款集PM2.5、甲醛、氨氮檢測于一體的適用于家庭使用的檢測儀，而且Android系統(tǒng)在終端領(lǐng)域的發(fā)展具有巨大的應用前景。我們從體積、功耗、價格等多方面綜合考量，使其具有攜帶更便捷、使用方便、功耗和成本低、智能化等特點，研制出了三種檢測功能融為一體的多功能檢測儀以滿足現(xiàn)實市場的要求。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

本設(shè)計借鑒國內(nèi)外多功能智能檢測儀表的設(shè)計經(jīng)驗，綜合運用電子技術(shù)、計算機控制技術(shù)、多傳感器融合技術(shù)以及過程控制技術(shù)組成自動檢測系統(tǒng)。

系統(tǒng)采用的整體方案：通過PM2.5、甲醛以及氨氮傳感器采集室內(nèi)空氣質(zhì)量和水質(zhì)信息，把檢測到的信息送入中央處理單元進行運算處理，得到PM2.5、甲醛和氨氮含量信息。最后，用藍牙與裝置連接，將檢測結(jié)果通過問答的方式，用android手機接收到實時檢測到的數(shù)據(jù)。當測量數(shù)據(jù)超標時，裝置中的蜂鳴器發(fā)出警報，然后將超標信息發(fā)送給監(jiān)控站，以便相關(guān)部門采取相應措施予以解決，以保證居民生活安全。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

該系統(tǒng)必須滿足體積小、成本低、功能穩(wěn)定等特點，硬件主要包括：中央處理模塊、電源模塊、傳感器模塊、藍牙模塊、android平臺和報警模塊。

2.1 最小系統(tǒng)模塊

部集成的256K Flash存儲器、3個12位ADC、UART串行通信接口等部件，最大總線時鐘可達72M。極大的方便了本課題的設(shè)計，大大減少了單片機的外圍部件，節(jié)省了使用空間，增加了儀器檢測的穩(wěn)定性。較之ARM7 TDMI，Cortex-M3擁有更強勁的性能、更高的代碼密度、位帶操作、可嵌套中斷、低成本、低功耗等眾多優(yōu)勢。

2.2 電源模塊

電源是系統(tǒng)設(shè)計中的一個重要組成部分，穩(wěn)定可靠的電源模塊能夠為系統(tǒng)穩(wěn)定工作提供能源保障。為了提高系統(tǒng)的可靠性，根據(jù)傳感器和整個系統(tǒng)電源的需要，本系統(tǒng)采用獨立電源進行供電。整個系統(tǒng)由外部的12V蓄電池供電。各模塊所需電壓不同，需要把電壓調(diào)節(jié)為5V和3.3V，5V電壓：主要給傳感器模塊以及AD檢測部分提供電源，3.3v電壓：單獨給微控制器提供電源。該電源要求需要十分穩(wěn)定，否則系統(tǒng)可能運行不正常。

2.3 傳感器模塊

系統(tǒng)的傳感器包括PM2.5傳感器、甲醛傳感器和氨氮傳感器。PM2.5傳感器擬采用夏普公司型號為GP2Y1051AU0F的灰塵傳感器，該傳感器靈敏度高、體積小、成本低、準確率高、一致性好。甲醛傳感器擬采用兩電極電化學型的英國達特傳感器，該傳感器靈敏度高、成本低、耗能小。氨氮傳感器擬采用雷磁公司型號為PNH3-1的氨氣敏電極傳感器，該傳感器響應速度快、測量范圍寬、線性度好，非常適用于氨氮濃度的檢測。

氨氮采集工作原理：傳感器的模擬量信號先通過ADuM5401進入AD7793，其跟隨所測信號之后，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換、跟隨、放大，最后將信號送入單片機按照一定的算法進行分析、運算和處理。A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7793與ADuM5401數(shù)字隔離芯片的配合使用具有較高的精度和很強的抗干擾能力，為系統(tǒng)提供了小尺寸、完全隔離的解決方案。當氨氮傳感器檢測到的氨氮的濃度低于0.5mg/L時，可作為生活用水。當濃度高于0.5mg/L時，發(fā)生警報。

采集甲醛和PM2.5傳感器是直接通過串口與單片機相連的，不需要外部采樣硬件,節(jié)省了硬件內(nèi)部的空間。當有甲醛氣體存在的時候，將會有一個很小的直流產(chǎn)生，產(chǎn)生的電流需要外部的數(shù)據(jù)采集將其變?yōu)榭勺x的信號。GP2Y1051AU0F是灰塵（粉塵）傳感器由光學傳感系統(tǒng)一個紅外發(fā)光二極管（IRED）和光電子晶體管是對角布置在該裝置中組成的。它是通過檢測空氣中塵埃的反射光計算粉塵的濃度。甲醛傳感器檢測到室內(nèi)甲醛的安全濃度低于0.1mg/m^3，PM2.5的安全濃度低于10。

2.4 Android平臺

對于顯示電路的設(shè)計，摒棄了常規(guī)的液晶顯示，選用了安卓手機進行數(shù)據(jù)的顯示和相關(guān)按鍵的操作。從而實現(xiàn)無線監(jiān)測，為人們提供了方便。藍牙(Bluetooth)技術(shù)擬采用HC-05藍牙模塊。工作流程：在Android手機里下載藍牙串口軟件APK文件，使藍牙模塊和手機之間可以相互通信。打開手機中的BTClient應用程序查找你設(shè)置的藍牙設(shè)備連接，打開串口，手機與藍牙模塊通訊,雙方可以互相輸入數(shù)據(jù)通信。android界面中有甲醛鍵、氨氮鍵、和PM2.5鍵，當藍牙配對成功時，用手點擊甲醛，然后按發(fā)送，即可在屏幕上出現(xiàn)甲醛的濃度。

3 結(jié)論

隨著全球化技術(shù)的不斷發(fā)展，無線通信應用越來越廣泛，本次設(shè)計是基于Android平臺的手機監(jiān)控系統(tǒng)，用于實時的顯示PM2.5、甲醛和氨氮的含量，目前本設(shè)計基本達到了預期的要求，實現(xiàn)了一臺多功能全自動生產(chǎn)作業(yè)。結(jié)合家庭的實際情況，節(jié)省了成本，適應了市場的需求。此設(shè)計充分利用了人們普遍使用的通信工具，使人們可以隨時隨地的對家庭環(huán)境信息查詢，檢測我們生活和工作的環(huán)境。

[1]杜娟.測試計量技術(shù)及儀器[D].鄭州:鄭州大學碩士學位論文,2010.

[2]馬天.環(huán)境工程[D].四川:四川大學碩士學位論文,2004.