室內(nèi)有害物質(zhì)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

高紀(jì)男，高治軍，韓忠華

（沈陽建筑大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，遼寧沈陽 110168）

近年來，科技與經(jīng)濟(jì)水平飛速提開，人們?cè)谑覂?nèi)度過的時(shí)間也急劇增加[1]，環(huán)境污染問題的出現(xiàn)使得人們對(duì)于綠色健康生活的意識(shí)逐年提升，對(duì)所處生活環(huán)境的關(guān)注也越來越多。我國(guó)大部分城市均出現(xiàn)了霧霾天氣，其主要成分PM2.5，對(duì)室內(nèi)的污染愈演愈烈，常見的室內(nèi)污染還包括TVOC 與甲醛等，嚴(yán)重威脅了人體的身心健康[2]。

伴隨著單片機(jī)技術(shù)、無線通信技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)的不斷完善，信息時(shí)代走進(jìn)了我們的日常生活中，為了將科技與生活完美的融合在一起，文中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)以STM32 系列單片機(jī)為核心，集監(jiān)測(cè)與自動(dòng)控制為一體的智能系統(tǒng)，旨在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)有害物質(zhì)，及時(shí)凈化室內(nèi)環(huán)境，做到防患于未然。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

室內(nèi)有害物質(zhì)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)運(yùn)用了模塊化設(shè)計(jì)思想，包括電源模塊、傳感器模塊、微控制器模塊、新風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊與WiFi模塊。

電源模塊將單一電壓轉(zhuǎn)換成不同電壓值后，完成對(duì)系統(tǒng)各部分的供電[3]，系統(tǒng)采用了5 V 直流電源，ASM1117 將5 V 降壓成穩(wěn)定的3.3 V 后供給微控制器與WiFi 模塊，其余外設(shè)則使用5 V 供電電壓。傳感器模塊負(fù)責(zé)采集室內(nèi)PM2.5、TVOC 與甲醛的濃度值，微控制器得到各傳感器的參數(shù)值后，通過層次分析與模糊綜合評(píng)價(jià)相結(jié)合的決策級(jí)數(shù)據(jù)融合方法，運(yùn)算得出此時(shí)室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。若室內(nèi)出現(xiàn)污染，微控制器將發(fā)出信號(hào)控制新風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，并根據(jù)得出的室內(nèi)污染程度，選擇打開新風(fēng)機(jī)的低速還是高速模式，從而達(dá)到凈化室內(nèi)環(huán)境的效果。系統(tǒng)的本地?cái)?shù)據(jù)會(huì)經(jīng)WiFi 模塊聯(lián)網(wǎng)發(fā)送至云平臺(tái)（選用了樂聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)），用戶便可隨時(shí)隨地登錄平臺(tái)查看室內(nèi)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息[4]。系統(tǒng)的總體框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 微控制器模塊

系統(tǒng)采用中等容量增強(qiáng)型ARM 芯片STM32 F103C8T6，使用3.3 V 直流電供電，最高工作頻率為72 MHz，存儲(chǔ)器零等待周期，即數(shù)據(jù)的處理無需響應(yīng)時(shí)間，且可在單周期內(nèi)完成乘法和硬件除法[5]，該芯片采用48 引腳封裝，高性能、低成本、低功耗的優(yōu)勢(shì)使其在眾多單片機(jī)中脫穎而出。內(nèi)置64k 字節(jié)的閃存程序存儲(chǔ)器與20k 字節(jié)的SRAM，設(shè)有7 通道DMA控制器，可直接向處理器傳輸數(shù)據(jù)。外設(shè)接口也非常豐富，2個(gè)I2C接口、2個(gè)SPI接口、3個(gè)USART接口、3個(gè)通用16 位定時(shí)器等，2 個(gè)12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器不僅實(shí)現(xiàn)了高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換，還可以簡(jiǎn)化外圍電路的設(shè)計(jì)，同時(shí)具備強(qiáng)大的控制功能完全可以滿足本設(shè)計(jì)的需要。

2.2 傳感器模塊

對(duì)PM2.5 的采集選用夏普GP2Y1026AU0F 光學(xué)粉塵傳感器[6]，該傳感器出場(chǎng)時(shí)已進(jìn)行串口的無塵標(biāo)定，采用先進(jìn)的光敏檢測(cè)機(jī)理，避免了其他粉塵傳感器需要在特定溫度下才能穩(wěn)定工作的問題[7]。在裝置內(nèi)，含有一個(gè)發(fā)光二極管和光接收元件，LED 定向發(fā)出光線，在空氣清潔的情況下，光接收元件收不到LED 光，此時(shí)經(jīng)轉(zhuǎn)換輸出的電壓值很低，反之LED 發(fā)出的光線會(huì)照射到塵埃粒子上發(fā)生散射，散射光射入光接收元件，電壓值拉高。根據(jù)此原理，當(dāng)空氣中塵埃粒子越多，光線散射便越多，電壓值隨顆粒物濃度的升高而升高。系統(tǒng)采用5 V 直流電對(duì)其供電，輸出方式為串口通信，上電后傳感器便可根據(jù)通信協(xié)議周期性地向微控制器發(fā)送粉塵濃度數(shù)據(jù)。電路連接圖如圖2 所示。

圖2 PM2.5電路連接圖

對(duì)TVOC 的采集選用盛思銳生產(chǎn)的SGP30 金屬氧化物多像素傳感器，它是一款單一芯片上集成多個(gè)傳感元件的氣體傳感器，表面附有防水防塵保護(hù)膜，不但能對(duì)有害氣體進(jìn)行檢測(cè)，還能在實(shí)際應(yīng)用中抵制污染氣體不受損壞，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和低漂移。TVOC 可使金屬氧化物表面的大氣氧濃度降低，造成電導(dǎo)帶中電子數(shù)量的增加，使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率發(fā)生改變[8]，通過內(nèi)部基線補(bǔ)償算法等處理后轉(zhuǎn)換成TVOC 的濃度值，系統(tǒng)采用5 V 直流電為傳感器供電，將其掛載在I2C 總線上輸出數(shù)字信號(hào)。電路連接圖如圖3 所示。

圖3 TVOC電路連接圖

對(duì)甲醛的采集選用MQ-138 半導(dǎo)體氣敏傳感器，檢測(cè)氣體的主要部分為二氧化錫（SnO2）敏感層。在清潔的空氣中，二氧化錫的電導(dǎo)率較低，當(dāng)所處環(huán)境存在甲醛蒸汽時(shí)，電導(dǎo)率會(huì)隨其濃度的增加而變大[9]，最后通過簡(jiǎn)單的電路將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。系統(tǒng)采用5 V 直流電為其供電，輸出的信號(hào)為模擬量，因此需與微控制器具有ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的引腳相連。電路連接圖如圖4 所示。

圖4 甲醛電路連接圖

2.3 WiFi模塊

對(duì)無線通信功能的實(shí)現(xiàn)選用高度片內(nèi)集成的ESP8266串口WiFi模塊，內(nèi)置完整的TCP/IP協(xié)議棧，具有支持無線802.11 b/g/n 標(biāo)準(zhǔn)[10]、UART/GPIO數(shù)據(jù)通信接口、STA/AP/STA+AP 3 種工作模式等特點(diǎn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)將模塊配置成STA 工作模式，通過路由器（AP）將系統(tǒng)接入Internet，即為系統(tǒng)添加聯(lián)網(wǎng)功能，成為室內(nèi)系統(tǒng)與外部網(wǎng)絡(luò)連接之間的轉(zhuǎn)換橋梁，以便將微控制器處理好的數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺(tái)上，系統(tǒng)采用3.3 V 直流電為其供電，與微控制器的USART2 串口連接，并選用了模塊數(shù)據(jù)透?jìng)鞯哪Ｊ健ｋ娐愤B接圖如圖5 所示。

圖5 WIFI模塊電路連接圖

2.4 新風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

該模塊直接與用戶的體驗(yàn)掛鉤，通過開關(guān)量的電磁繼電器完成對(duì)新風(fēng)機(jī)低速或高速模式的驅(qū)動(dòng)，所選繼電器的型號(hào)為SRS-05VDC-SL，可實(shí)現(xiàn)用微弱電信號(hào)的輸入，控制大功率電路的輸出。微控制器發(fā)送信號(hào)指令到繼電器，繼電器控制電源線的連接[11]，當(dāng)室內(nèi)污染物濃度為輕度污染時(shí)，從微控制器產(chǎn)生的信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路觸發(fā)新風(fēng)機(jī)低速開關(guān)，重度污染則觸發(fā)高速開關(guān)。采用5 V 直流電供電，以系統(tǒng)中一路繼電器為例介紹其電路的連接，在微控制器與繼電器之間串聯(lián)了一個(gè)三極管放大電路。電路連接圖如圖6 所示。

圖6 繼電器電路連接圖

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主程序

對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)完成后，需設(shè)計(jì)出相輔相成的軟件部分，二者完美的結(jié)合才能使系統(tǒng)順利運(yùn)行。

系統(tǒng)采用C 語言，Keil 軟件進(jìn)行編程、調(diào)試與仿真，并對(duì)軟件的各部分進(jìn)行封裝，以便后期的維護(hù)與升級(jí)。主程序?yàn)橐粋€(gè)死循環(huán)，系統(tǒng)上電后，首先通過初始化函數(shù)對(duì)各硬件及接口進(jìn)行配置[12-13]，確保硬件的正常工作與穩(wěn)定連接，之后進(jìn)入循環(huán)狀態(tài)：傳感器采集完室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)后，把數(shù)據(jù)傳輸給微控制器進(jìn)行處理，每完成一次數(shù)據(jù)采集傳輸，微控制器就會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)按事先編好的控制邏輯進(jìn)行運(yùn)算，當(dāng)運(yùn)算結(jié)果為此時(shí)室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量處于“清潔”狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)將不會(huì)對(duì)新風(fēng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；當(dāng)為“輕度污染”時(shí)，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)開啟新風(fēng)機(jī)低速模式；當(dāng)為“重度污染”時(shí)，系統(tǒng)則驅(qū)動(dòng)開啟新風(fēng)機(jī)高速模式，最終把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過WiFi模塊發(fā)送到樂聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)后，系統(tǒng)將繼續(xù)采集數(shù)據(jù)重復(fù)執(zhí)行以上操作步驟。系統(tǒng)的主程序流程圖如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

3.2 控制邏輯

3.2.1 層次分析法

美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家Saaty 于20 世紀(jì)70 年代初提出了著名的層次分析法[14]。首先用層次分析法求出室內(nèi)各有害物質(zhì)的權(quán)重，組成權(quán)重向量，其步驟為：

1）構(gòu)造判斷矩陣P，對(duì)各因子進(jìn)行兩兩比較，其各占有一定的比例，引用數(shù)字1～5 及其倒數(shù)作為標(biāo)度來創(chuàng)建判斷矩陣。對(duì)數(shù)字1～5 標(biāo)度的定義如表1所示。

表1 1～5標(biāo)度定義

對(duì)甲醛、PM2.5 和TVOC 進(jìn)行兩兩比較得到的結(jié)果如表2 所示。

表2 比較結(jié)果

按照表2 的結(jié)果，確定出判斷矩陣P：

2）對(duì)P進(jìn)行列向量的歸一化得P1：

求P1的行和得到列向量P′：

根據(jù)P′求出W：

由P和W求出特征值：

依據(jù)PW=λW的原則，求出λ的最大值：

3）計(jì)算一致性指標(biāo)CI：CI=(λmax-n)/(n-1)。當(dāng)CI為零時(shí)，表示完全一致，CI接近零為比較一致，CI越大，則代表不一致。

4）計(jì)算一致性比例CR：CR=CI/RI，其中RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，如表3 所示。

表3 隨機(jī)一致性指標(biāo)

當(dāng)CR＜0.10 時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣的一致性是可以接受的，從而得出評(píng)價(jià)因子集的權(quán)重WT，否則還需對(duì)判斷矩陣再次作修正。由于0.038＜0.10，故得到評(píng)價(jià)因子的權(quán)重WT=[0.634 0.260 0.106]，即甲醛的權(quán)重為0.634，PM2.5 為0.260，TVOC 為0.106。

3.2.2 模糊綜合評(píng)價(jià)法

所謂以模糊數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ)的模糊綜合評(píng)價(jià)，就是應(yīng)用最大隸屬原則和模糊變換原理，對(duì)多因素影響的事物或現(xiàn)象進(jìn)行總的評(píng)價(jià)[15]，其步驟為：

1）構(gòu)建評(píng)價(jià)因子集：U={甲醛，PM2.5，TVOC}，因子集為所需的環(huán)境質(zhì)量參數(shù)。

2）構(gòu)建評(píng)價(jià)等級(jí)：V={1 級(jí)，2 級(jí)，3 級(jí)}，3 個(gè)等級(jí)分別對(duì)應(yīng)了清潔、輕度污染、重度污染，其中1 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)值，2 級(jí)為兩倍的標(biāo)準(zhǔn)值，3 級(jí)為三倍的標(biāo)準(zhǔn)值。甲醛的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)值為0.10 mg/m3，PM2.5為0.075 mg/m3，TVOC 為0.60 mg/m3。

3）選擇降半梯形函數(shù)的形式來構(gòu)建各評(píng)價(jià)因子對(duì)評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度函數(shù)[16]，對(duì)于1 級(jí)評(píng)價(jià)，計(jì)算公式如式（9）所示：

對(duì)于2 級(jí)評(píng)價(jià)，計(jì)算公式如式（10）所示：

對(duì)于3 級(jí)評(píng)價(jià)，計(jì)算公式如式（11）所示：

其中C為檢測(cè)值，V為相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值。

4）用以上各級(jí)隸屬度函數(shù)的計(jì)算結(jié)果構(gòu)造成3×3 的隸屬度矩陣R。

5）對(duì)權(quán)重WT和隸屬度矩陣R進(jìn)行合成，再根據(jù)最大隸屬度原則得出最終的評(píng)價(jià)結(jié)果。可供選擇的合成算子有M(∧,∨)、M(·,∨)、M(∧,⊕)和M(·,⊕)4種，式（13）為主因素決定型，適用在單因子評(píng)價(jià)模型中，式（14）為主因素突出型，與第一種較相似，式（15）為不均衡型，對(duì)權(quán)重的作用不夠明顯，式（16）為加權(quán)平均型，適用于綜合評(píng)價(jià)模型，因此最終選擇了該算子。

4 系統(tǒng)測(cè)試

按上述設(shè)計(jì)的方案，將STM32 單片機(jī)、各傳感器以及WiFi 與新風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等搭建成整個(gè)系統(tǒng)，硬件連接圖如圖8所示。把編程并編譯好的軟件程序燒錄到單片機(jī)中，上電后經(jīng)WiFi模塊將數(shù)據(jù)上傳到了樂聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，利用上網(wǎng)終端登錄平臺(tái)，遠(yuǎn)程查看到室內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的結(jié)果如圖9所示。經(jīng)統(tǒng)一單位轉(zhuǎn)換后，得PM2.5 的值為0.042 mg/m3、TVOC 為0.205 mg/m3、甲醛為0.075 mg/m3，經(jīng)軟件邏輯運(yùn)算的模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為0，0 代表了室內(nèi)環(huán)境清潔，微控制器此時(shí)不需下達(dá)指令控制新風(fēng)機(jī)工作。所得數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)設(shè)備檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行比較，PM2.5 的值相差1 μg/m3，TVOC 相差4 μg/m3，甲醛相差6 μg/m3，誤差均在傳感器采集允許的范圍之內(nèi)，表明該系統(tǒng)運(yùn)行良好，可精確監(jiān)測(cè)室內(nèi)有害物質(zhì)的狀況，并可根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果自動(dòng)控制新風(fēng)機(jī)的狀態(tài)，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 硬件連接圖

圖9 測(cè)試結(jié)果界面

5 結(jié)束語

該文設(shè)計(jì)的室內(nèi)有害物質(zhì)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)以微控制器為核心，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)環(huán)境PM2.5、TVOC 和甲醛的指標(biāo)，另外使用層次分析與模糊綜合評(píng)價(jià)相結(jié)合的方法對(duì)室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了綜合判別，實(shí)現(xiàn)了對(duì)新風(fēng)機(jī)分級(jí)調(diào)速的方案。同時(shí)通過WiFi 模塊實(shí)現(xiàn)了將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸至云平臺(tái)的功能，用戶可通過任何智能終端登錄平臺(tái)遠(yuǎn)程查看室內(nèi)環(huán)境信息，使該系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)環(huán)境的把控和調(diào)節(jié)更加智能化，在易用和功能上都表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，成本也嚴(yán)格控制在千元以內(nèi)，具有良好的應(yīng)用前景。