基于Arduino的多參數室內空氣質量監測系統研究

楊洋 楊亞東

摘? ?要：基于開源硬件Arduino，開發了一款多參數室內空氣質量監測裝置，實現了對室內一氧化碳、甲醛、灰塵和溫濕度的實時檢測和顯示，并具有數據分析、超限報警等功能。文章介紹的裝置具有測量參數多、體積小、成本低和使用方便的特點，面向一般家庭用戶使用，具有較強的應用前景。

關鍵詞：空氣質量監測;甲醛;一氧化碳;灰塵;報警

1? ? 室內空氣質量監測背景

室內空氣質量健康與否直接關系著居民的身體健康和兒童的生長發育。有害氣體、家庭煤氣泄漏以及空氣中的可吸入顆粒無處不在，不僅會引發呼吸道疾病、肺病等多種嚴重疾病，而且容易引發人身安全事故。加之近年來我國各地霧霾天氣的出現和加重，“綠色家居”和“智能家居”的新詞語得到了高度重視，人們迫切需要一種可靠、實用的檢測設備來監測室內的空氣質量。

現如今，面市的檢測室內空氣質量的儀器普遍存在監測的參數比較單一、需要專業人員操作等缺點。在這種情況下，設計開發一款操作方便的多參數室內空氣質量監測系統對居民生活是十分有意義的。本文基于開源硬件Arduino開發了一款室內空氣質量監測系統，此系統旨在實現對一氧化碳、甲醛、可吸入顆粒、溫濕度等多參數的實時測量，所測量的室內空氣質量參數都是人們居家生活所普遍關心的參數，居民能隨時了解室內空氣質量狀況，做好預防措施。

2? ? 系統總體設計

本系統由下位機、通信模塊和上位機3部分組成，組成框架如圖1所示。圖中，下位機以Arduino開發板為核心構成，包括傳感器模塊、顯示器和報警裝置。通信模塊負責上位機與下位機間的通信，下位機傳感器采集到的數據送給顯示器顯示的同時通過通信模塊傳給上位機，如PC機、筆記本電腦或智能手機等，上位機分析傳感器數據，繪制和記錄各空氣參數的變化曲線圖，當環境參數值超出國家標準規定的安全范圍，系統會自動報警，并給出提示[1]。

本系統采用模塊化設計，工作方式可以靈活多樣，去掉上位機和通信模塊，單獨下位機也可以作為一個獨立系統工作，完成測量參數的顯示和報警功能，只是不能記錄和繪制空氣質量參數的變化曲線數據。下位機去掉顯示器和報警器時，也可以通過上位機進行測量數據的顯示和報警。

3? ? 硬件系統設計

3.1? Arduino開發板的選取

采用Arduino Uno開發板。這種開發板的基本供電方式有兩種，一種是通過USB連接到電腦端，另一種是直接用電源插頭連接，弊端是不能方便地下載和修改程序。Arduino Uno開發板的一個優點是內部具有模數轉換器并且能將Atmega16U2編程為一個USB-to-serial轉換器，縮短了編譯和上傳程序的時間[2]。

3.2? 傳感器模塊

3.2.1? 一氧化碳傳感器

選用一氧化碳傳感器MQ-7，該傳感器對一氧化碳、液化氣、甲烷等氣體有著很高的靈敏度，對空氣中的其他氣體也可以準確檢測，MQ-7能夠檢測不同種類的可燃性氣體，而且它的制作成本并不高，是一個應用十分廣泛的氣體傳感器。

3.2.2? 甲醛傳感器

選用MQ-138甲醛傳感器，該傳感器對甲醛、乙醇、甲苯等有害氣體有著很高的反應速度，對空氣中的其他氣體也可以準確檢測，MQ-138能夠檢測不同種類的有機蒸汽，而且它的制作成本并不高，是一個應用十分廣泛的氣體傳感器。雖然甲醛傳感器采集到的是模擬值，但我們可以通過簡單的電路將其電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。

3.2.3? 灰塵傳感器

選用灰塵傳感器DSM501，該傳感器可以檢測到房間內的灰塵和固體小顆粒，具有自動加熱吸氣裝置，檢測灰塵數值的上限可用調節電阻去控制。它檢測出的值是在單位體積內的絕對個數，與粒子計算器是在同一理論上進行研究的[3]。

3.2.4? 溫濕度傳感器

選用DHT11溫濕度傳感器。該傳感器不僅是一種高精度的數字溫度和濕度傳感器，而且也是一種復合傳感器。內部包含一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件。它采用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，通過單線制串行接口輸出完成校準的數字信號。具有體積小、響應快、抗干擾強、價格便宜、有長期的穩定性和極高的可靠性等優點。

3.2.5? 顯示模塊

選用液晶顯示LCD12864，該傳感器體積比較小，比較容易攜帶。液晶顯示器沒有輻射作用，對人體比較健康。液晶LCD使用過程中消耗的電能比較小，對于使用電池做電源的裝置來說比較省電。其圖像顯示能力特別強，清晰、穩定、像素分辨率也很高，不會出現模糊、重影等現象。液晶LCD還有一個優點就是不容易受到外界的干擾。

3.2.6? 報警模塊

選用蜂鳴器用作超限報警，一旦發現各參數中的任何一個超過額定限制，就可以進行報警提示，不用專門觀察，顯得更加人性化、智能化。

3.2.7? 通信模塊

為增強系統的靈活性，提供了有線和無線兩種通信方式，有線通信模塊采用MAX485模塊，無線通信采用HC-05藍牙模塊，用戶可以根據具體情況選用。為便與計算機連接，有線通信時，計算機通過USB轉RS485模塊與MAX485模塊相連接。無線通信時，計算機通過藍牙模塊與下位機藍牙模塊進行無線通信。

4? ? 軟件系統設計

軟件系統控制和配合硬件系統工作，包括下位機軟件程序和下位機軟件程序兩部分。下位機程序在Arduino IDE環境開發，采用類似C語言編寫，并調用Arduino庫函數。上位機程序采用虛擬儀器LabVIEW軟件開發。LabVIEW是一種圖形化的開發工具，功能強大，易學易用，便于開發出圖形化的顯示界面[4]。

4.1? 下位機軟件系統設計

下位機軟件系統根據系統的工作方式編寫。負責控制下位機傳感器數據的采集、顯示、報警和與通信模塊的接口。下位機單獨工作時的程序流程如圖2所示。

根據人體對有害氣體和顆粒物的濃度標準進行閾值設置，當系統采集值換算為濃度值超過設置的閾值時，蜂鳴器開始報警，最后將有害氣體和顆粒物濃度在LCD12864液晶顯示屏上顯示。

4.2? 上位機軟件系統設計

為保證上位機工作，上位機除了安裝LabVIEW軟件外，還需安裝美國NI公司提供的DSC模塊（數據存儲監控模塊）和Real-time模塊（實時模塊），這樣才能實現modbus通信應用。需要說明的是本系統的上位機和通信模塊是可選部件，去掉這兩部分，下位機可以作為一個獨立系統工作，完成空氣質量監測任務。

5? ? 系統測試

為測試本系統的有效性，分別在下位機單獨工作和加上上位機兩種工作方式下對系統進行了測試，其中，上位機工作時分別測試了有線和無線兩種通信方式。實驗結果表明，系統能夠可靠工作，達到了預期的設計目的。圖3給出了系統測試時下位機LCD顯示器的顯示界面[5]。

6? ? 結語

本文開發了一種多參數室內空氣質量監測系統，實現了對一氧化碳、甲醛、灰塵和溫濕度的測量。這些空氣質量參數都是家庭用戶所普遍關系的，且本系統工作方式靈活，操作簡單，實用性強，可以實時測量，便于一般家庭使用。

基金項目：陜西省大學生創新訓練計劃項目;項目名稱：基于Arduino的多參數室內空氣質量監測系統;項目編號：127152017043。

作者簡介：楊洋（1996— ），男，甘肅蘭州人，本科生;研究方向：電子信息工程。

[參考文獻]

[1]毛敏，張明宇，譚艷君，等.基于Arduino和LabVIEW的溫濕度監測系統設計[J].工業儀表與自動化裝置，2017（2）：84-87.

[2]蘭羽，盧慶林. 基于MQ138傳感器的甲醛檢測儀設計[J].電子測量技術，2013（8）：111-114.

[3]毛敏.基于Arduino和LabVIEW遠程可燃氣體監測系統[J].電氣自動化，2017（5）：32-34.

[4]秦華，孫曉松.基于Arduino/Android的環境狀況監測系統設計[J].無線互聯科技，2013（1）：59-61.

[5]田開坤.基于LCD12864顯示器的數字示波器設計[J].電子制作，2010（5）：32-39.

Abstract：Based on open source hardware Arduino， developed a multi-parameter indoor air quality monitoring device， the real-time detection and display of indoor carbon monoxide， formaldehyde， dust and temperature and humidity are realized， and the functions of data analysis， out-of-limit alarm and so on are realized. The device introduced in this paper has the characteristics of many measurement parameters， small volume， low cost and convenient use. It is suitable for general home users and has a strong application prospect.

Key words：air quality monitoring; formaldehyde; carbon monoxide; dust; alarm