甲醛監(jiān)測儀設(shè)計(jì)及其低功耗研究

王晗　張陸鑫　金文清　徐強(qiáng)　汪斌

【摘 要】甲醛監(jiān)測儀旨在為室內(nèi)甲醛氣體檢測提供一種新型的監(jiān)測、管理方式，同時(shí)提高了甲醛監(jiān)測的現(xiàn)代化、自動(dòng)化程度，彌補(bǔ)了目前對大多數(shù)室內(nèi)有毒氣體在管理上的不便。本文通過手機(jī)APP實(shí)時(shí)監(jiān)測室內(nèi)甲醛濃度，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)甲醛濃度數(shù)據(jù)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測和傳輸，同時(shí)在電腦終端對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，當(dāng)環(huán)境數(shù)據(jù)達(dá)到臨界指標(biāo)時(shí)自動(dòng)報(bào)警，提示戶主做出應(yīng)對措施。該監(jiān)測儀有攜帶方便和讀數(shù)容易等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用到家居甲醛監(jiān)測中。

【關(guān)鍵詞】ZigBee；甲醛監(jiān)測；無線傳感網(wǎng)絡(luò)

【Abstract】This system is based on the ZigBee technology which can do a real-time detection about the concentration of formaldehyde. It is a new monitoring and management way to monitor formaldehydes concentration. This system can not only monitor and transmit the data but also dispose data with computer. When the concentration reaches the critical value， it can warn the homeowner. The detector has the advantages of convenient carrying and easy reading， and can be widely applied to the concentration of formaldehyde in the home.

【Key words】ZigBee； Formaldehyde monitoring； Wireless Sensor Networks

0 引言

近年來，隨著家庭居室和辦公室的裝修裝飾材料的廣泛使用，甲醛超標(biāo)導(dǎo)致的污染問題越來越嚴(yán)重。無色的甲醛氣體易誘發(fā)癌癥、哮喘等疾病，對人體健康造成較大傷害。因此，如何實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的甲醛監(jiān)測成為家居環(huán)境污染監(jiān)測中的一個(gè)問題。此外，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷的創(chuàng)新發(fā)展、智能手機(jī)的普遍應(yīng)用，以及智能手機(jī)在物聯(lián)網(wǎng)的無線通信、物體識別和環(huán)境感知等方面的技術(shù)優(yōu)勢，使得智能手機(jī)成為物聯(lián)網(wǎng)最好的載體之一。該設(shè)計(jì)結(jié)合ZigBee技術(shù)和智能手機(jī)更高效地進(jìn)行甲醛濃度的檢測，采用ZigBee終端和甲醛傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測甲醛濃度數(shù)據(jù)，并通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)送到服務(wù)器存儲濃度數(shù)據(jù)，同時(shí)通過運(yùn)行在智能手機(jī)上的應(yīng)用軟件實(shí)時(shí)查詢甲醛濃度。本項(xiàng)目最終構(gòu)成的理想化智能甲醛監(jiān)測儀模型對比市面上大多數(shù)監(jiān)測儀而言，成本低、功耗低、便攜性強(qiáng)，對構(gòu)建綠色健康的智能家居生活有著良好的影響。

1 甲醛監(jiān)測儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文的甲醛監(jiān)測儀采用基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的解決方案，具體工作網(wǎng)絡(luò)以樹狀網(wǎng)絡(luò)的形式展開整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。樹形網(wǎng)絡(luò)的終端為傳感器子節(jié)點(diǎn)，樹形網(wǎng)絡(luò)的匯聚端為根節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)如圖1所示：傳感器節(jié)點(diǎn)終端負(fù)責(zé)收集甲醛濃度數(shù)據(jù)，傳感器節(jié)點(diǎn)采用的主控制器為CC2530芯片，該芯片擁有RF收發(fā)器和增強(qiáng)型的8051單片機(jī)，選用的甲醛傳感器為ZE07-CH2O型甲醛傳感器，該甲醛傳感器具有功耗低、靈敏度高、操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1]，其根據(jù)甲醛在電極作用下易氧化的特點(diǎn)，將空氣中不同濃度的甲醛轉(zhuǎn)化為不同強(qiáng)度的擴(kuò)散電流，在經(jīng)放大電路將電流信號放大數(shù)倍，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)化將電路中的模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，傳至ZigBee節(jié)點(diǎn)。傳感器與帶有天線的ZigBee模塊連接，構(gòu)成數(shù)據(jù)的收集模塊。數(shù)據(jù)收集過程中，可能會(huì)有兩種情況產(chǎn)生誤差：一是，其他易因電極反應(yīng)氧化的氣體（如二氧化硫）會(huì)對實(shí)驗(yàn)所收集到的數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，這里我們通過已知的氣體濃度，利用軟件消除該影響；二是，傳感器易受到其他電磁波的干擾，在調(diào)試階段，使裝置遠(yuǎn)離干擾源也是實(shí)驗(yàn)?zāi)苷_有效進(jìn)行的保證。

當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)在工作時(shí)，通過甲醛傳感器采集室內(nèi)的甲醛濃度，將收集到的數(shù)據(jù)通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換后送入8051單片機(jī)進(jìn)行處理，然后將得到甲醛濃度數(shù)據(jù)通過射頻收發(fā)模塊傳輸?shù)狡渌膫鞲衅鞴?jié)點(diǎn)，并通過這些傳感器中繼節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的電腦服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)傳輸[2]。本系統(tǒng)采用了結(jié)構(gòu)較為簡單的8051單片機(jī)，操作方便，適于該項(xiàng)目的初步研究。其中傳感器節(jié)點(diǎn)軟件基于Z-stack的協(xié)議棧編寫，采用串口讀取甲醛傳感器濃度數(shù)據(jù)，并調(diào)用API函數(shù)通過RF收發(fā)模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。

本文的無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示，該系統(tǒng)將無線傳感網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成樹狀網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)子節(jié)點(diǎn)將在不同位置采集到的數(shù)據(jù)信息通過傳感網(wǎng)絡(luò)傳送到各子節(jié)點(diǎn)所對應(yīng)的路由節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)將整合好的數(shù)據(jù)信息傳送到根節(jié)點(diǎn)，根節(jié)點(diǎn)通過發(fā)送AT指令，將整合后的數(shù)據(jù)信息傳送至與之相連的GPRS模塊，此時(shí)GPRS模塊通過互聯(lián)網(wǎng)將信息傳送至遠(yuǎn)端電腦服務(wù)器端。與服務(wù)器相關(guān)聯(lián)的智能手機(jī)可通過預(yù)設(shè)的軟件下載對應(yīng)的環(huán)境參數(shù)，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測的目的[3]。同時(shí)，用戶可以根據(jù)實(shí)際情況，在智能手機(jī)上設(shè)置報(bào)警的甲醛濃度值。其中，手機(jī)上的應(yīng)用程序采用JAVA語言編寫，通過應(yīng)用程序的查詢功能可以實(shí)時(shí)查詢每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的甲醛濃度信息，同時(shí)可以對每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置報(bào)警濃度值，當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)甲醛濃度超過報(bào)警濃度值時(shí)，通過連接到服務(wù)器的短信收發(fā)模塊發(fā)送短信到智能手機(jī)，對用戶進(jìn)行濃度超標(biāo)提醒。同時(shí)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的需要，在各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)一個(gè)時(shí)間段，如果在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，甲醛濃度值一直高于預(yù)設(shè)的報(bào)警濃度值，此時(shí)短信收發(fā)模塊才會(huì)將報(bào)警短信發(fā)送至智能手機(jī)上。這樣的設(shè)計(jì)避免了因數(shù)據(jù)測量誤差引起的無效報(bào)警，提高了系統(tǒng)的靈活性和容錯(cuò)性。

2 低功耗設(shè)計(jì)

在實(shí)際工作場合中，由于傳感器節(jié)點(diǎn)需要使用電池供能，傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗決定了其使用壽命，所以如何降低傳感器節(jié)點(diǎn)功耗，使傳感器工作時(shí)間得以增長成為該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方向。在自動(dòng)化的甲醛監(jiān)測設(shè)備中，其終端設(shè)備主要為對應(yīng)的ZE07-CH2O型甲醛傳感器及其A/D轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成。為了得到在室內(nèi)甲醛濃度的實(shí)際情況，需要測量室內(nèi)多個(gè)點(diǎn)的甲醛濃度參數(shù)。由于各種環(huán)境因素的影響，部分元器件會(huì)出現(xiàn)傳感器失效的情況，最后導(dǎo)致收集到錯(cuò)誤不準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。所以在甲醛濃度的參數(shù)檢測的過程中，可采取位置比較相近的傳感設(shè)備測得的參數(shù)值來對每個(gè)點(diǎn)來判斷獲取的數(shù)據(jù)是否正確并加以修正。另外，在一些環(huán)境較為惡劣的情況下，如果兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)位置比較相近的情況下，采取傳感器節(jié)點(diǎn)交替工作的形式，使元器件可以在較特殊的環(huán)境下延長工作時(shí)間，同時(shí)也達(dá)到低功耗節(jié)能的目的。

具體實(shí)現(xiàn)過程如下：在傳感器模塊開始正式監(jiān)測前，將放置在室內(nèi)的多個(gè)位置相近放置傳感設(shè)備全部打開，執(zhí)行初期的數(shù)據(jù)采集，用之作為下階段數(shù)據(jù)對比的依據(jù)，電腦端收集到的數(shù)據(jù)信息采用MATLAB進(jìn)行分析與對比。若處于室內(nèi)不同方位的傳感設(shè)備，位置相近的兩個(gè)傳感設(shè)備獲得的甲醛濃度相同或相近，由此判定該區(qū)域內(nèi)的相關(guān)環(huán)境物理量相似，可以隨機(jī)關(guān)閉其中一個(gè)傳感設(shè)備。經(jīng)過一段時(shí)間后，打開關(guān)閉的傳感設(shè)備，若數(shù)據(jù)發(fā)生變化，則認(rèn)定此時(shí)兩個(gè)設(shè)備所處環(huán)境的甲醛濃度不同，則需要將兩個(gè)設(shè)備同時(shí)打開[4]。這樣的設(shè)計(jì)可以使傳感設(shè)備間歇工作，同時(shí)也可以得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)處理量，達(dá)到低耗節(jié)能的目的。

3 結(jié)語

甲醛監(jiān)測儀與智能手機(jī)的結(jié)合，讓原本單一的甲醛監(jiān)測儀變得更加智能化、網(wǎng)絡(luò)化，手機(jī)通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)即可獲得相應(yīng)的甲醛監(jiān)測儀上的數(shù)據(jù)，讓其操作變得更加簡便，智能手機(jī)上應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)處理可以更直觀的觀察甲醛濃度的變化情況，同時(shí)預(yù)設(shè)的報(bào)警裝置可以給戶主提供良好的環(huán)境保證。這種無線傳感網(wǎng)絡(luò)與智能家居的結(jié)合不僅提高了甲醛監(jiān)測儀的工作能力，也體現(xiàn)了其低耗性的特點(diǎn)。并且該系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于生活中，對構(gòu)建綠色環(huán)保的低碳生活，提高人們生活質(zhì)量有著良好的影響。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]