基于LabVIEW平臺(tái)的多功能甲醛檢測(cè)儀

張鋼 王一妹 李云松

摘 要：本文提出一種準(zhǔn)確便捷的多功能甲醛檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)方案。采用攀藤公司的多功能電化學(xué)甲醛濃度傳感器模組，結(jié)合藍(lán)牙傳輸技術(shù)和美國(guó)NI公司的LabVIEW平臺(tái)開發(fā)構(gòu)建了多功能甲醛檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)檢測(cè)準(zhǔn)確， 動(dòng)態(tài)曲線顯示，功能全面，為空氣質(zhì)量測(cè)量方法開辟了更加便捷的途經(jīng)。

關(guān)鍵詞：甲醛檢測(cè);PM2.5;LabVIEW;傳感器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.114

1 引言

現(xiàn)代生活中，人們對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量環(huán)境越來(lái)越重視，污染的空氣的確會(huì)危害人體健康，最新報(bào)道污染空氣還影響到人們的智商。對(duì)于室內(nèi)污染物如甲醛、PM2.5和TOVC等空氣質(zhì)量參數(shù)的檢測(cè)，已成為一個(gè)重要的課題，目前市場(chǎng)上對(duì)甲醛濃度的檢測(cè)，大致分為專業(yè)機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)室化學(xué)測(cè)量和家用級(jí)便攜式電子儀器測(cè)量。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室分析方法為非現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)檢測(cè)，具有結(jié)果準(zhǔn)確可靠、分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但是成本很高，裝置復(fù)雜，流程耗時(shí)較長(zhǎng)，通常作為爭(zhēng)議仲裁和高端消費(fèi)。而現(xiàn)場(chǎng)便攜式電子檢測(cè)儀器則具有快速實(shí)現(xiàn)半定量、過(guò)程簡(jiǎn)潔、便于攜帶和測(cè)點(diǎn)靈活的特點(diǎn)，質(zhì)量好的電子檢測(cè)儀器在測(cè)試精度上基本可以滿足普通家用檢測(cè)的要求，因之室內(nèi)環(huán)境下便攜式電子檢測(cè)儀器已經(jīng)形成良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)，研制能夠同時(shí)檢測(cè)各種氣體的高質(zhì)量智能化多功能的氣體傳感器和先進(jìn)便攜式檢測(cè)儀是室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)的重要課題。隨著人們對(duì)甲醛等污染物對(duì)健康危害的認(rèn)識(shí)深化，我國(guó)在1995年制定了針對(duì)甲醛的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16127-1995《居室空氣中甲醛的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》，該標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定居室內(nèi)空氣中甲醛衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn) （濃度上限）規(guī)定為 0.08 mg/m3。這為空氣質(zhì)量治理指引了方向，對(duì)甲醛污染的控制與治理提供了定量依據(jù)。

目前，市場(chǎng)上進(jìn)口的歐美便攜式甲醛測(cè)試儀等儀器屬于高端制作，準(zhǔn)確度較高，分辨率高，質(zhì)量可靠。高端儀器的精確度，測(cè)試范圍都已接近或達(dá)到國(guó)內(nèi)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，但是其儀器價(jià)格昂貴達(dá)數(shù)萬(wàn)，維護(hù)費(fèi)用很高，公眾使用機(jī)會(huì)有限。而一些低價(jià)普通國(guó)產(chǎn)便攜式檢測(cè)儀器則在準(zhǔn)確度、分辨率和穩(wěn)定性方面與進(jìn)口儀器相比還有較大差距，但是其價(jià)格適中、檢測(cè)成本低廉，半定量準(zhǔn)確度還不錯(cuò)，現(xiàn)場(chǎng)效率高，故質(zhì)量較好的國(guó)產(chǎn)家用甲醛檢測(cè)儀目前使用的需求還很大。據(jù)報(bào)道國(guó)內(nèi)外都將部分高質(zhì)量便攜式甲醛電子檢測(cè)儀器也列為推薦方法，《規(guī)范》也規(guī)定了民用建筑工程室內(nèi)空氣中甲醛檢測(cè)可采用現(xiàn)場(chǎng)儀器檢測(cè)的方法，并要求檢測(cè)儀器應(yīng)定期進(jìn)行校準(zhǔn)。據(jù)報(bào)道在技術(shù)研究的基礎(chǔ)上對(duì)便攜式甲醛檢測(cè)儀器與傳統(tǒng)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行過(guò)大量有益的比對(duì)試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果表明在 0.01mg/m3 ～ 0.60mg/m3 測(cè)定范圍內(nèi)的不確定度小于 20%是可以做到的，因此高質(zhì)量的便攜式家用甲醛檢測(cè)儀是有很好的發(fā)展前景的。我們的方案是研發(fā)設(shè)計(jì)一種準(zhǔn)確度更高、性能更穩(wěn)定、操作方便的多功能甲醛檢測(cè)儀，并以滿足《居室空氣中甲醛的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》指標(biāo)為目標(biāo)。

2 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與主要技術(shù)問(wèn)題

本檢測(cè)系統(tǒng)是基于美國(guó)NI公司的LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)。LabVIEW平臺(tái)提供了圖形化的設(shè)計(jì)方法，編程采用流程圖，流程圖也是虛擬儀器的源代碼。這種?可?視?化編程?可?幫助?用戶?方便地集成?來(lái)自?任何?供應(yīng)?商?的?測(cè)量?硬件，?在?程序?框?圖?上?可以表現(xiàn)?復(fù)雜?的?運(yùn)算和邏輯，可使用各種圖標(biāo)、連線、圖形符號(hào)來(lái)編程。平臺(tái)具有強(qiáng)大的?數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和分析、復(fù)雜分析?算法等功能，具有編程靈活、界面豐富友好、可自定義等優(yōu)點(diǎn)。具備各種GPIB、VXI儀器、總線接口及串口儀器驅(qū)動(dòng)程序的聯(lián)動(dòng)機(jī)制，并具有遠(yuǎn)程通訊與網(wǎng)絡(luò)功能。在系統(tǒng)測(cè)量、自動(dòng)化、通信、控制方面有著廣闊的應(yīng)用前景。本項(xiàng)目采用PC機(jī)作為終端，選用LabVIEW開發(fā)檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)甲醛濃度的自動(dòng)檢測(cè)與顯示。

甲醛檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)組成由甲醛傳感器與PM2.5 與PM10檢測(cè)模塊、藍(lán)牙串口傳輸模塊、數(shù)據(jù)采集和處理、LabVIEW 2014軟件系統(tǒng)、上位機(jī)程序以及用戶接口設(shè)計(jì)等組成。其中甲醛傳感器檢測(cè)模塊、PM2.5 檢測(cè)模塊和藍(lán)牙串口傳輸模塊，構(gòu)成下位機(jī)部分。利用計(jì)算機(jī)的RS-232串行口，可實(shí)現(xiàn)上下雙機(jī)的通信，選擇使用藍(lán)牙串口傳輸模塊進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)通信，所用筆記本電腦沒有串口就利用虛擬串口助手設(shè)置，一般采用的是簡(jiǎn)單的四線制連接方式。TXD 為發(fā)送數(shù)據(jù)端，RXD 為接收數(shù)據(jù)端，GND 為接地端，VCC為電源端。

檢測(cè)系統(tǒng)軟件采用LabVIEW強(qiáng)大的的圖形語(yǔ)言開發(fā)，由八個(gè)功能模塊設(shè)計(jì)組合。系統(tǒng)軟件主要包括：數(shù)據(jù)讀出＼寫入模塊，數(shù)據(jù)接收與處理，特征字符串匹配模塊，抗干擾模塊，數(shù)據(jù)處理與計(jì)算，平均值計(jì)算模塊，動(dòng)態(tài)波形顯示模塊等。設(shè)計(jì)的源程序文件可以打包并直接在Windows平臺(tái)下運(yùn)行。圖1是多功能空氣質(zhì)量檢測(cè)儀界面圖。有三個(gè)主要參數(shù)顯示窗口。甲醛和PM2.5實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線在圖表上動(dòng)態(tài)顯示，PM10濃度量使用顯示柱。波形顯示模式為模擬波形記錄儀方式，“動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)曲線” 顯示采用Chart控件。圖表的正上方是三個(gè)主要數(shù)據(jù)輸出文本框，分別顯示當(dāng)前采集的甲醛、PM2.5 和PM10的濃度數(shù)值。圖表控件中顯示著歷史數(shù)據(jù)連續(xù)不斷地往左邊移動(dòng)，最新采集的數(shù)據(jù)在右邊逐漸顯示，如參數(shù)測(cè)試結(jié)束，點(diǎn)擊“退出”控件退出程序。

下面談?wù)劧喙δ芗兹z測(cè)儀系統(tǒng)總體方案實(shí)現(xiàn)的幾個(gè)主要問(wèn)題。

（1）傳感器的選用：根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的特點(diǎn)，需要選擇一個(gè)測(cè)量靈敏度高、測(cè)量準(zhǔn)確度高，檢測(cè)范圍滿足規(guī)定的傳感器，來(lái)做甲醛檢測(cè)儀的首要部件傳感器。經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)研和比較，選擇了攀藤公司的空氣質(zhì)量多功能型傳感器模塊（采用英國(guó)DART公司膜片），英國(guó)DART公司的電化學(xué)甲醛濃度傳感器，國(guó)際知名，綜合測(cè)試范圍和精度能滿足 GB/T 161271995《室內(nèi)空氣中甲醛衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的指標(biāo)要求。我們采用的攀藤PMS5003S 系列是一款可以同時(shí)監(jiān)測(cè)空氣中顆粒物濃度和甲醛濃度的二合一傳感器。甲醛傳感器負(fù)責(zé)將甲醛氣體的濃度轉(zhuǎn)化成為電信號(hào)，信號(hào)調(diào)理電路由前置放大器和濾波電路構(gòu)成，負(fù)責(zé)將傳感器產(chǎn)生的微弱電信號(hào)轉(zhuǎn)化成為匹配的電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)微處理器轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字輸出，便于集成使用。PMS5003S運(yùn)用激光散射原理來(lái)檢測(cè)污染顆粒物濃度，它不斷采集和計(jì)算單位體積內(nèi)空氣中相應(yīng)的懸浮顆粒物個(gè)數(shù)，并換算成為顆粒物濃度。PMS5003S中自帶有風(fēng)機(jī)，需要 5V 電源供電驅(qū)動(dòng)。與之連接通訊的主板MCU應(yīng)為3.3V供電，數(shù)據(jù)通訊和控制管腳均采用3.3V作為高電平。在通訊線（RXD、TXD）和控制線（SET、RESET）上加入電平轉(zhuǎn)換芯片或電路之后，也可以采用主板 MCU 的 5V 供電。使用藍(lán)牙串口傳輸模塊連通傳感器模塊與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，采用被動(dòng)接收形式，無(wú)需問(wèn)答，即下位機(jī)會(huì)一直發(fā)送數(shù)據(jù)上來(lái)。

（2）上位機(jī)程序的開發(fā)：主要是 LabVIEW串口數(shù)據(jù)通信編程。 LabVIEW通過(guò)VISA與串行接口儀器通信。VISA為用戶提供了一套的可方便調(diào)用的標(biāo)準(zhǔn)I/O底層函數(shù)，是儀器編程的標(biāo)準(zhǔn)I/O應(yīng)用程序接口（API）。在LabVIEW功能模板的Instrument I/O→Serial中包含進(jìn)行串行通信的多個(gè)功能圖標(biāo)，分別可實(shí)現(xiàn)串口讀、串口寫、串口設(shè)置、中斷、串口緩存檢測(cè)、關(guān)閉串口等功能。VISA功能模塊使用了VISA resource name控制參數(shù)，該參數(shù)標(biāo)識(shí)了進(jìn)行I/O操作應(yīng)有的配置信息和對(duì)應(yīng)通信的設(shè)備名稱。編程時(shí)用到串口初始化函數(shù)（VISA Configure Serial Port）和串口讀函數(shù)（VISA Read），完成串口的初始化和讀出。選擇串行資源并配置參數(shù)（波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶、停止位），根據(jù)所用電腦的串口選擇串口號(hào)，本機(jī)選擇COM4，波特率默認(rèn)9600，其他默認(rèn)。

（3）數(shù)據(jù)接收與處理：串口通信中，一般數(shù)據(jù)幀的通信協(xié)議格式由幾部分信息組成：幀頭、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)塊和幀尾等。數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)塊是主要的數(shù)據(jù)部分。項(xiàng)目所用傳感器的通信傳輸協(xié)議是32字節(jié)。其中以0x42、0x4D二個(gè)字節(jié)作為數(shù)據(jù)幀頭，之后兩個(gè)字節(jié)為幀長(zhǎng)度數(shù)據(jù)，接著是數(shù)據(jù)塊，根據(jù)廠家定義，數(shù)據(jù)格式第13-14字節(jié)是PM2.5濃度;第15-16字節(jié)是PM10濃度;第29-30個(gè)字節(jié)是甲醛濃度，其他數(shù)據(jù)位是不常用的空氣質(zhì)量指標(biāo)，31-32個(gè)字節(jié)是校驗(yàn)碼。圖2是特征字符串匹配搜尋、數(shù)據(jù)位提取與計(jì)算處理顯示部分源程序圖。

實(shí)際運(yùn)行中，開機(jī)后可能最先接收到的信息不一定是幀頭，因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過(guò)程中可能有干擾有失序，或下位機(jī)一直處于發(fā)送數(shù)據(jù)的狀態(tài)，接收的過(guò)程中串口也有可能在緩沖區(qū)被清空等等，因此這一幀數(shù)據(jù)的前面部分?jǐn)?shù)據(jù)可能會(huì)丟失，這種失序會(huì)造成后面提取特定數(shù)據(jù)字節(jié)時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤。因此首先要查找對(duì)幀頭，采用的辦法就是搜索特征字，我們使用“匹配字符串函數(shù)”的匹配字功能，如果找到幀頭則會(huì)將幀數(shù)據(jù)分為前后兩部分，匹配字后部分就是所需要的數(shù)據(jù)塊。這是一個(gè)程序的搜索算法。具體實(shí)現(xiàn)的程序可調(diào)用“匹配模式字符串函數(shù)”，見圖2左上。以本項(xiàng)目傳感器模組為例，如圖1中實(shí)時(shí)顯示為例，其中以42、4D二個(gè)字節(jié)作為數(shù)據(jù)幀頭，第三、四個(gè)字節(jié)為幀長(zhǎng)度計(jì)數(shù)器，假如串口接收的一個(gè)數(shù)據(jù)包為424D? 001C? 0043? 0065? 006C? 002C? 0042? ?004D? 0000? 0000? 0000? 0000? 0000? 0000? 0019? 0293共32字節(jié)十六進(jìn)制數(shù)，。其中，數(shù)據(jù)幀頭424D，剛好是字符BM的十六進(jìn)制表示，也是搜索特征字;接下來(lái)是從0043到0019字節(jié)是核心數(shù)據(jù)字節(jié)，信息流經(jīng)過(guò)匹配模式字符串函數(shù)圖標(biāo)之后，原輸入字符串一分為二，匹配字后面的字符串是我們需要的核心數(shù)據(jù)，按位置轉(zhuǎn)換為字符顯示的字符串后可得到實(shí)際的各種空氣質(zhì)量參數(shù)值。該傳感器很多數(shù)據(jù)位是不常用的空氣質(zhì)量指標(biāo)，故沒有提取顯示。把串口接收的數(shù)據(jù)包先進(jìn)行字節(jié)分別提取，再調(diào)用轉(zhuǎn)換為字符顯示的字符串的圖標(biāo)，輸出值就是實(shí)際的特定空氣濃度值。

（4）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與計(jì)算：由于LabVIEW中運(yùn)行接收到的數(shù)據(jù)都是以字符串的形式存在的，編程中使用“轉(zhuǎn)換為U8數(shù)組”這個(gè)函數(shù)，就可以需要將字符串轉(zhuǎn)換為ASCII碼，轉(zhuǎn)換為U8字節(jié)后，就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的采集處理。根據(jù)傳感器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，本儀器將收到以下的字符串?dāng)?shù)據(jù)，正常情況，頭字節(jié)42，次字節(jié)4D，剛好是字符B、M的十六進(jìn)制表示;圖2中下半部分顯示的數(shù)組是使用“字符串轉(zhuǎn)換為U8數(shù)組”的函數(shù)轉(zhuǎn)換之后得到的數(shù)組，可以是十六進(jìn)制或十進(jìn)制顯示。對(duì)照廠家定義的數(shù)據(jù)幀格式順序，就得到各種空氣參數(shù)的數(shù)據(jù)了。幀頭查找到以后，所用傳感器的傳輸數(shù)據(jù)格式第13-14字節(jié)是PM2.5濃度;第15-16字節(jié)是PM10濃度;第29-30字節(jié)是甲醛濃度。注意串口程序的字節(jié)序是高位在前，低位在后。濃度計(jì)算時(shí)，高位數(shù)加上低位數(shù)時(shí)要乘上256，這二個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)相加就是我們要的實(shí)際數(shù)據(jù)，在實(shí)際使用過(guò)程中應(yīng)該根據(jù)幀格式的字義來(lái)解析這個(gè)數(shù)據(jù)，直接使用索引號(hào)進(jìn)行索引輸出可以方便得到。由“創(chuàng)建波形”節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建波形數(shù)據(jù)，之后，波形數(shù)據(jù)流入Chart圖表中動(dòng)態(tài)顯示。 從圖2可以看到，有甲醛，PM2.5，PM10三個(gè)數(shù)據(jù)流要經(jīng)過(guò)并行數(shù)據(jù)處理。調(diào)試程序時(shí)可以使用探針監(jiān)視窗口，LabVIEW 在探針窗口中會(huì)自動(dòng)列出探針并為這些探針編號(hào)，窗口顯示的值就是探針符號(hào)所在連線的探測(cè)點(diǎn)的字符串或者實(shí)時(shí)值。

（5）抗干擾模塊：傳感器模塊傳送數(shù)據(jù)串過(guò)程中，由于檢測(cè)系統(tǒng)的波動(dòng)性或現(xiàn)場(chǎng)擾動(dòng)，數(shù)據(jù)偶爾會(huì)出現(xiàn)凌亂，采集數(shù)據(jù)偶爾會(huì)出現(xiàn)很高的數(shù)值尖峰，這個(gè)模塊要采用比較程序把尖峰過(guò)濾掉，代之以平均值。使之平穩(wěn)輸出。

（6）平均值模塊：有時(shí)測(cè)試時(shí)間可能較長(zhǎng)，如果環(huán)境正常波動(dòng)不大的情況，為了測(cè)試數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，這時(shí)就需要取一個(gè)平均值，甲醛濃度也顯示為平均值。最小值和最大值也要檢出。系統(tǒng)在出現(xiàn)尖峰干擾或其他擾動(dòng)時(shí)，可以拉回到平均值。系統(tǒng)支持大量歷史數(shù)據(jù)回放，這些都是電子儀器測(cè)量的優(yōu)勢(shì)。

利用LabVIEW的平臺(tái)環(huán)境開發(fā)串口通信程序，流程圖清晰規(guī)整。我們開發(fā)的檢測(cè)系統(tǒng)程序，人機(jī)界面設(shè)計(jì)友好，觀測(cè)方便，波形曲線顯示準(zhǔn)確流暢。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析，檢測(cè)分析結(jié)果在日常所見測(cè)定范圍內(nèi)的不確定度小于 20%是可以做到的。 空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)采集可靠、運(yùn)行效率高，能夠提供可靠的甲醛污染狀況等級(jí)判定。和傳統(tǒng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室化學(xué)方法比較，方便快捷，測(cè)點(diǎn)靈活，成本低廉，誤差可控，可以將數(shù)值轉(zhuǎn)換為等級(jí)，具備真正的使用價(jià)值。

由于LabVIEW檢測(cè)系統(tǒng)的升級(jí)改動(dòng)很方便，我們同時(shí)也設(shè)計(jì)了另一種基于LabVIEW平臺(tái)的便攜式甲醛檢測(cè)儀，采用的WZ-S 型甲醛檢測(cè)模組是全球甲醛檢測(cè)專家——英國(guó)DART公司的最新力作，升級(jí)版原裝達(dá)特甲醛傳感器結(jié)合先進(jìn)的微檢測(cè)技術(shù)，直接將環(huán)境中的甲醛含量轉(zhuǎn)換成濃度值，它和本文所示檢測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合，綜合比照，中西合璧，使得檢測(cè)數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確更有實(shí)用價(jià)值。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種基于LabVIEW平臺(tái)設(shè)計(jì)的多功能甲醛檢測(cè)儀，該系統(tǒng)能夠?qū)兹┖蚉M2.5等參數(shù)實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)。能夠克服傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法過(guò)程復(fù)雜、成本高、請(qǐng)不起、耗時(shí)長(zhǎng)等不足。從檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行的測(cè)試分析以及現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比測(cè)試來(lái)看，采集數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，顯示清晰動(dòng)態(tài)曲線，這種檢測(cè)儀器可以方便地在現(xiàn)場(chǎng)完成半定量檢測(cè)甲醛濃度等，操作方便，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

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