基于物聯(lián)網(wǎng)的甲醛檢測系統(tǒng)研究

雷久淮，姚島，王微，潘少祠，覃鳳

1.廣東省科學(xué)院電子電器研究所,廣東，廣州510400；2.河源市省科院研究院，廣東，河源517000；3.廣東理工學(xué)院，廣東，肇慶，526100

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，人們在室內(nèi)工作和生活的時(shí)間越來越多，室內(nèi)空氣質(zhì)量與人們的生理和心理健康狀態(tài)聯(lián)系也越來越緊密。現(xiàn)代建筑大多為框架高層結(jié)構(gòu)，室內(nèi)外直通風(fēng)少，室內(nèi)空氣質(zhì)量容易惡化。甲醛是一種無色的刺激性氣體，2017年被世界衛(wèi)生組織列為一類致癌物。甲醛普遍存在于涂料、膠黏劑、衣柜、紡織品、日常清潔劑等材料中，是室內(nèi)空氣惡化的最主要來源之一[1]，已嚴(yán)重危害到人們的生命健康。目前，針對室內(nèi)低濃度甲醛氣體的檢測，還多采用現(xiàn)場氣體采樣后，送往實(shí)驗(yàn)室采用酚試劑分光光度計(jì)、氣相色譜儀進(jìn)行分析等化學(xué)測試方法，它不僅需要嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)步驟，同時(shí)還要求檢測人員有較高的專業(yè)素養(yǎng)[2]。因此設(shè)計(jì)一款操作簡單、能夠快速檢測的便攜式甲醛檢測系統(tǒng)具有重要的社會和經(jīng)濟(jì)意義[2-4]。

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于電化學(xué)傳感器的互聯(lián)網(wǎng)+甲醛監(jiān)測系統(tǒng)。采用傳感器法，可以對室內(nèi)溫濕度、甲醛等進(jìn)行自動采樣檢測，當(dāng)采樣數(shù)據(jù)超過標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可進(jìn)行聲光報(bào)警。同時(shí)，該系統(tǒng)還可以將數(shù)據(jù)上傳到物聯(lián)網(wǎng)后臺進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)分析和歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由MCU單片機(jī)控制模塊、無線WiFi模塊、TFT液晶顯示模塊、時(shí)鐘模塊、甲醛測量模塊、溫濕度檢測模塊、報(bào)警模塊等模塊組成。系統(tǒng)主要通過STC8A8K 單片機(jī)所構(gòu)成的控制電路，采集甲醛濃度、溫濕度等參數(shù)，并將相關(guān)參數(shù)顯示在LCD液晶模塊中，同時(shí)，通過WiFi將數(shù)據(jù)同步上傳到服務(wù)器（圖1）。本文設(shè)計(jì)的檢測系統(tǒng)主要面向民用消費(fèi)領(lǐng)域，因此硬件的總體設(shè)計(jì)原則為便攜和高性價(jià)比。

圖1 互聯(lián)網(wǎng)+甲醛測試系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 STC8A8K

STC8A8K是一種具有超強(qiáng)抗干擾能力的高性價(jià)比低功耗高速微型處理器，內(nèi)部有3個(gè)時(shí)鐘源，同時(shí)具有64個(gè)IO口，豐富的數(shù)字和模擬外設(shè)接口資源有利于多個(gè)外設(shè)功能設(shè)備的實(shí)現(xiàn)。

1.3 ESP-WROOM

ESP-WROOM是一款基于ESP8266EX內(nèi)核設(shè)計(jì)的高集成度低功耗無線模組。最大時(shí)鐘速度為160 MHz，可滿足不同頻率的要求。通過TCP/IP 協(xié)議棧可以很方便地實(shí)現(xiàn)WiFi與串口UART的通信轉(zhuǎn)換[5]。ESP-WROOM有STA、AP和AP+STA三種工作模式。本設(shè)計(jì)中，ESPWROOM模塊的工作模式為AP+STA模式，通過它接入無線路由器，從而將采集前端數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。ESP-WROOM芯片采用3.3V供電，EN腳置高電平，GPIO15腳置低電平，RXD、TXD腳分別與MCU P1.0和P1.1相連。

天線是無線通信系統(tǒng)最前端的核心元件，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)性能。為了滿足消費(fèi)電子設(shè)備小型化的需求，本設(shè)計(jì)中ESPWROOM采用外置天線的方式，選用的天線為自主研發(fā)的雙頻段共形天線。該共形天線采用改進(jìn)的傳輸耦合線理論，通過階躍阻抗諧振器產(chǎn)生雙頻段性能，其諧振頻率可以通過公式（1）計(jì)算得到。同時(shí)，通過共形實(shí)驗(yàn)測試分析，可以知道形變對該天線性能影響較小，適合工程應(yīng)用。

1.4 甲醛傳感器

目前，甲醛的測試方法有氣相色譜法、液相色譜法、分光光度法、電化學(xué)法等。ZE08傳感器是一種電化學(xué)甲醛模組，利用電化學(xué)原理對甲醛進(jìn)行檢測。當(dāng)空氣的甲醛分子被傳感器系統(tǒng)吸收后，產(chǎn)生一個(gè)與甲醛濃度成正相關(guān)的電信號。其內(nèi)部設(shè)有溫度傳感器，可以根據(jù)溫度變化進(jìn)行溫度補(bǔ)償，具有良好的穩(wěn)定性。ZE08工作電壓為3.7～5.5V，量程為0～5ppm，分辨率小于0.01ppm，恢復(fù)時(shí)間小于1分鐘。控制芯片MCU P5.0和P5.1與ZE08傳感器進(jìn)行通信連接。

1.5 濕溫度傳感器

DHT11是一款高精度、低成本、數(shù)字化的濕溫度復(fù)合傳感器，其內(nèi)部測溫元件采用的是NTC。其與MCU的通信方式可通過單總線數(shù)據(jù)格式，一個(gè)數(shù)據(jù)端口就可完成雙向數(shù)據(jù)傳輸。濕度和溫度數(shù)據(jù)總為40Bit，采用校驗(yàn)和方式一次性傳輸給MCU。濕度精度為1%RH，溫度精度為1℃，分辨率為16Bit，采樣周期為1秒。

1.6 顯示電路

人機(jī)對話顯示屏采用2.8寸65K色顯示TFT彩色液晶顯示屏，分辨率為320*240，驅(qū)動芯片采用低功耗單芯片控制驅(qū)動器ILI9341。該顯示屏具有低功耗、壽命長、接口簡單等特點(diǎn)。驅(qū)動芯片采用16位模式數(shù)據(jù)模式，控制線RS、WR、RD、CS、RST 分別與MCU P3.5、P3.6、P3.7、P4.4、P4.3相連，數(shù)據(jù)線低八位數(shù)據(jù)端口為P7口，高八位數(shù)據(jù)端口為P0口。MCU發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)給顯示電路的控制流程為：片選TFT使能端口→RS置高電平寫數(shù)據(jù)→P0和P7口分別給顏色高字節(jié)和低字節(jié)→WR置低電平、WR置高電平和寫數(shù)據(jù)。

1.7 報(bào)警電路

系統(tǒng)報(bào)警模塊采用聲光結(jié)合的方式，分別使用TFT真彩液晶顯示器、紅色LED燈和蜂鳴器實(shí)現(xiàn)。蜂鳴器具有高分貝聲音、控制簡單的特點(diǎn)。MCU P6.1腳與PNP三極管的B極相連控制蜂鳴器。紅色LED燈具有較強(qiáng)的顯示度，能滿足在光線不強(qiáng)條件下仍具有較強(qiáng)顯示度的要求，它與MCU P6.4腳相連。TFT顯示器上設(shè)有二極管、蜂鳴器狀態(tài)顯示區(qū)，可實(shí)時(shí)顯示聲光報(bào)警的狀態(tài)。當(dāng)甲醛濃度超過了設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，LED和蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)通過WiFi模塊將告警信息上傳至上位機(jī)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

微控制器采用STC單片機(jī)，分析處理溫濕度、甲醛濃度，對蜂鳴器、發(fā)光二極管和WiFi模塊等進(jìn)行控制。本系統(tǒng)采用模塊化、結(jié)構(gòu)式的編程思路，按照需要的系統(tǒng)功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，軟件模塊主要包括甲醛濃度測試模塊、時(shí)鐘模塊、溫濕度模塊、顯示模塊、無線WiFi模塊等。

軟件設(shè)計(jì)流程：（1）開機(jī)后，進(jìn)行系統(tǒng)初始化；（2）完成初始化，采集溫濕度、甲醛濃度值；（3）對采集的溫濕度、甲醛值進(jìn)行運(yùn)算處理；（4）將處理后的數(shù)據(jù)傳送到TFT 顯示器和上位機(jī)；（5）對運(yùn)算后的數(shù)據(jù)與閾值進(jìn)行比較，如果超出閾值則進(jìn)行報(bào)警；（6）重復(fù)（2）～（5）操作。

2.2 甲醛濃度測試模塊軟件設(shè)計(jì)

微控制器與甲醛傳感器采用UART通信方式，波特率為9600，數(shù)據(jù)位為8bit，模塊每隔1s向MCU主動傳送數(shù)據(jù)，MCU按圖2所示流程進(jìn)行甲醛數(shù)據(jù)處理。甲醛數(shù)據(jù)傳輸采用求和校驗(yàn)，其計(jì)算公式如下：

圖2 甲醛濃度測試模塊軟件設(shè)計(jì)流程圖

甲醛濃度拆分成2bit傳輸，MCU接收數(shù)據(jù)后需再計(jì)算才能得到濃度值，計(jì)算公式如下：

2.3 物聯(lián)網(wǎng)模塊軟件設(shè)計(jì)

ESP-WROOM與MCU P1.0和P1.1相連，采用串口2通信，波特率設(shè)置為115200。ESP-WROOM以AP+STA的模式接入到局域網(wǎng)路由器。通過開通ESP-touch功能、airkiss功能，首次接入新路由器時(shí)，可能過手機(jī)軟件或微信小程序通過廣播的方式告訴檢測儀WiFi密碼，實(shí)現(xiàn)連網(wǎng)智能化。當(dāng)長時(shí)間沒有WiFi密碼輸入或輸入密碼錯誤次數(shù)過多時(shí)，可自動進(jìn)入離線工作模式。

uart2_sendstr(espHCHO_at); //向WiFi模塊發(fā)送握手AT指令

uart2_sendstr(espHCHO_CWMODE_DEF);//對物聯(lián)網(wǎng)模塊工作模式進(jìn)行設(shè)置

uart2_sendstr(espHCHO_CWAUTOCONN);//上電后自動連接熱點(diǎn)AP

uart2_sendstr(espHCHO_CIPSTATUS);//查詢ESP-WROOM模塊網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)

uart2_sendstr(espHCHO_CWSTARTSMART);//配置感知WiFi密碼功能

uart2_sendstr(espHCHO_CWSTOPSMART);//釋放配網(wǎng)所占用的資源內(nèi)存。

uart2_sendstr(espHCHO_CWSTARTSMART);//配置支持ESP-touch和airkiss,如果沒有輸入密碼或輸錯，重新輸入

uart2_sendstr(espHCHO_cipmux); //串口2對WiFi模塊 設(shè)置多連接 （多路連接模式）

uart2_sendstr(espHCHO_server); //啟動TCP/IP端口為8000 實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)控制

uart2_sendstr(espHCHO _cifsr); //串口2查詢WiFi模塊當(dāng)前IP地址

uart2_sendstr(“AT+CIPSEND=2,60 ”); //配置ESP發(fā)送數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)長度為60

uart2_sendstr(date_array); //發(fā)送數(shù)據(jù)組date_array給服務(wù)器

3 系統(tǒng)測試

甲醛檢測系統(tǒng)經(jīng)過加工調(diào)試后，其實(shí)物如圖3所示。系統(tǒng)可實(shí)時(shí)顯示W(wǎng)iFi和服務(wù)器的連接狀態(tài)，可顯示LED和蜂鳴器聲光報(bào)警狀態(tài)，同時(shí)，時(shí)鐘掉電重啟后仍然能正常計(jì)時(shí)。經(jīng)對比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所測溫濕度數(shù)值準(zhǔn)確，能滿足民用需求。系統(tǒng)遵從GB T18883-2002《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，當(dāng)甲醛濃度超過100μg/m3時(shí)，系統(tǒng)可發(fā)出聲光報(bào)警。

圖3 甲醛濃度測試系統(tǒng)實(shí)物圖

4 結(jié)論

本文介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)的甲醛檢測系統(tǒng)研究，系統(tǒng)的甲醛測試功能具有高穩(wěn)定性、高分辨率、低功耗、環(huán)境耐受能力強(qiáng)的特點(diǎn)，能滿足不同環(huán)境條件下的測量要求。同時(shí)系統(tǒng)具有測量濕溫度、時(shí)間同步、聲光報(bào)警、無線接入等功能，不需要再借助其他額外測試試劑或工具，具有高可靠性，可適應(yīng)不同的檢測環(huán)境，能廣泛適用于家居和公共場所的甲醛定量定性測量。