基于邊緣計(jì)算的甲醛檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

摘 要：隨著時(shí)代發(fā)展，人們?cè)絹碓街匾暽钇焚|(zhì)的提升，但是室內(nèi)各種家裝材料殘留的化學(xué)物質(zhì)影響嚴(yán)重居住人群的身體健康。為了避免甲醛濃度值超標(biāo)而身處其中的人們毫無察覺，本文提出一種基于邊緣計(jì)算的甲醛檢測(cè)儀設(shè)計(jì)。該儀器以STM32F103C8T6為主控中心，利用傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)甲醛濃度。采用邊緣計(jì)算，將溫、濕度等因素相結(jié)合，來預(yù)測(cè)甲醛數(shù)據(jù)。試驗(yàn)驗(yàn)證了該儀器甲醛檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高，數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)精度在普遍情況下相對(duì)準(zhǔn)確。因此，本設(shè)計(jì)具有實(shí)時(shí)性高、準(zhǔn)確性高、成本低和安全性高等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：邊緣計(jì)算；甲醛檢測(cè)；數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)

中圖分類號(hào)：TP 212 " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

甲醛是一種常見的有毒、有害氣體，主要來源于家居裝修材料，長(zhǎng)期工作、生活在甲醛環(huán)境中會(huì)嚴(yán)重威脅人體健康[1]，因此檢測(cè)室內(nèi)環(huán)境中甲醛的檢測(cè)尤為重要?，F(xiàn)有市場(chǎng)上的手持式檢測(cè)儀精度高、攜帶方便且測(cè)量簡(jiǎn)單，但是價(jià)格昂貴。傳統(tǒng)的甲醛檢測(cè)方法對(duì)檢測(cè)人員要求高，難以普及、應(yīng)用[2]。因此需要一種價(jià)格合理、智能化、時(shí)效性和精確性兼?zhèn)涞脑O(shè)備，幫助用戶提前判斷并及時(shí)預(yù)防甲醛超標(biāo)問題。本文提出的基于邊緣計(jì)算技術(shù)的新型甲醛檢測(cè)設(shè)備是一種便捷、可靠的工具，既可以有效節(jié)約云端資源，又可以高效利用本地資源，避免算力浪費(fèi)，從而進(jìn)一步提高設(shè)備的實(shí)用性。

1 方案設(shè)計(jì)

本文的甲醛檢測(cè)儀系統(tǒng)方案將STM32F103C8T6作為核心板，根據(jù)甲醛檢測(cè)中可能出現(xiàn)的影響因素確定傳感器選型。溫/濕度傳感器、甲醛傳感器采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并通過相關(guān)算法對(duì)未來的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)和顯示，采用的三次指數(shù)平滑算法能降低服務(wù)器負(fù)載，并高效利用終端資源，以此更直觀地了解甲醛檢測(cè)狀態(tài)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要由單片機(jī)電路（MCU最小系統(tǒng)）、甲醛監(jiān)測(cè)電路、溫/濕度檢測(cè)電路、無線通信電路和數(shù)據(jù)顯示電路等組成，如圖1所示。

在圖1中，MCU最小系統(tǒng)為核心控制部分，用于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理；甲醛監(jiān)測(cè)電路用于采集周圍空氣中的甲醛濃度值；溫/濕度檢測(cè)電路用于采集影響甲醛濃度的環(huán)境參數(shù)；無線通信電路用于實(shí)時(shí)傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)顯示電路由圖形化界面顯示實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2.1 檢測(cè)模塊電路

2.1.1 溫/濕度檢測(cè)電路

為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境中的溫、濕度變化，并保證傳感器的穩(wěn)定性和精度[3]，需要選用性能穩(wěn)定、測(cè)量范圍適宜、接口簡(jiǎn)單且價(jià)格合理的溫/濕度傳感器。本文選擇DHT11溫/濕度傳感器，DATA為傳感器的單總線數(shù)字信號(hào)輸出端，連接至單片機(jī)PB6引腳，根據(jù)單總線通信協(xié)議進(jìn)行通信，并對(duì)溫、濕度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，如圖2所示。

2.1.2 甲醛監(jiān)測(cè)電路

本文將SGP30傳感器作為甲醛檢測(cè)器件。SGP30傳感器是一款集成多種氣體傳感器的數(shù)字式空氣質(zhì)量傳感器，在測(cè)量甲醛氣體濃度方面具有高精度和可靠性[4]。甲醛監(jiān)測(cè)電路原理如圖3所示。SGP30模塊引出VCC、GND、SDA和SDL共4路引腳，模塊支持1.8 V～5 V電平，VCC和GND引腳分別接至+5 V和GND，將數(shù)據(jù)傳輸SDA引腳和同步時(shí)鐘信號(hào)SCL引腳分別與單片機(jī)PB1、PB0進(jìn)行連接。將SDA作為數(shù)據(jù)線與模塊產(chǎn)生數(shù)據(jù)交互，SCL作為時(shí)鐘信號(hào)線產(chǎn)生同步時(shí)鐘脈沖，并完成數(shù)據(jù)獲取。

2.2 數(shù)據(jù)顯示電路

數(shù)據(jù)顯示電路原理如圖4所示。該電路分為觸摸部分和驅(qū)動(dòng)顯示部分，T_IRQ～T_CLK為觸控通信引腳，連接單片機(jī)PA和PC口對(duì)應(yīng)引腳。SDO～CS為驅(qū)動(dòng)顯示屏所用引腳，連接PB口對(duì)應(yīng)引腳，以此完成LCD液晶模組的觸控與顯示。系統(tǒng)采用軟件SPI通信方式，這是由STM32F103C8T6的引腳數(shù)量決定的，該方式雖然傳輸速率相對(duì)較低，但是可以保證在I/O口數(shù)量有限的情況下具有驅(qū)動(dòng)顯示屏幕功能。

2.3 無線通信電路

無線通信電路采用ESP8266-01S WIFISOC模組，該模塊支持標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.11b/g/n協(xié)議[5]，內(nèi)置完整的TCP/IP協(xié)議棧，可以通過該模塊訪問云服務(wù)器端。無線通信電路原理如圖5所示，該模塊通過UART串口與STM32F103C8T6微控制器進(jìn)行連接，發(fā)送引腳TXD、接收引腳RXD與單片機(jī)對(duì)應(yīng)引腳交叉相連。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 算法設(shè)計(jì)

本算法以指數(shù)平滑預(yù)測(cè)法為基礎(chǔ)，再根據(jù)甲醛與溫、濕度關(guān)系比例[6]，與預(yù)測(cè)值相結(jié)合，從而得到準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。在時(shí)間序列中，如果波動(dòng)占優(yōu)，那么運(yùn)用一次指數(shù)平滑模型；如果趨勢(shì)占優(yōu)，那么運(yùn)用三次指數(shù)平滑模型；如果波動(dòng)和趨勢(shì)相近，那么運(yùn)用二次指數(shù)平滑模型[7]。一次指數(shù)平滑預(yù)測(cè)通式如公式（1）所示。

Ft+1=axt+（1-a）Ft "（1）

式中：Ft+1為（t+1）時(shí)刻的預(yù)測(cè)值；a為權(quán)值（也稱為平滑系數(shù)）；xt為t時(shí)刻實(shí)際值。

其中a越小，參考之前的時(shí)間點(diǎn)越多[8]；a越大，參考之前的時(shí)間點(diǎn)越少。

根據(jù)公式（1）進(jìn)行迭代計(jì)算，可以得到公式（2）。

Ft+1=axt+（1-a）axt-1+（1-a）2axt-2+（1-a）3axt-3+...+（1-a）naxt-n+...+（1-a）tF1 " " " " " " （2）

新預(yù)測(cè)值基于預(yù)測(cè)誤差對(duì)原預(yù)期值進(jìn)行修正獲取，a的大小證明了修正幅度[8]。a值愈大，修正幅度愈大，反之幅度愈小。因此，a值既能表示對(duì)時(shí)間序列數(shù)據(jù)變化的反應(yīng)能力，又能體現(xiàn)出修正誤差能力。

當(dāng)時(shí)間序列變化出現(xiàn)直線趨向時(shí)，使用一次指數(shù)平滑法進(jìn)行預(yù)測(cè)具有明顯的滯后差異[9]，因此需要采取修正措施。具體方法是在一次指數(shù)平滑的基礎(chǔ)上再進(jìn)行二次指數(shù)平滑，根據(jù)滯后偏差的規(guī)律分析出曲線的發(fā)展方向和趨勢(shì)，構(gòu)建直線趨勢(shì)預(yù)測(cè)模型。二次指數(shù)平滑的計(jì)算過程如公式（3）所示。

（3）

如果時(shí)間序列變化顯示出二次曲線趨勢(shì)，那么需要采用三次指數(shù)平滑法進(jìn)行預(yù)測(cè)，其計(jì)算過程如公式（4）所示。

（4）

基于上次預(yù)測(cè)再次迭代，并進(jìn)行平滑計(jì)算，在不斷迭代平滑計(jì)算中使預(yù)測(cè)值更準(zhǔn)確，最終完成甲醛檢測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)[7]。

3.2 程序設(shè)計(jì)

主程序設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)的線性流程順序、各模塊初始化和中斷處理等方面。主程序需要完成對(duì)所有硬件外設(shè)的初始化設(shè)置，并調(diào)用各個(gè)功能模塊函數(shù)，其中甲醛檢測(cè)、溫/濕度檢測(cè)、算法執(zhí)行和無線通信等需要考慮優(yōu)先級(jí)順序、系統(tǒng)同步等關(guān)鍵問題。主程序流程如圖6所示。首先，在主程序的起始階段，初始化后對(duì)讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理和轉(zhuǎn)換，與DHT11傳感器進(jìn)行通信，獲取溫、濕度數(shù)據(jù)。輸出、顯示SGP30獲取的甲醛數(shù)據(jù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)由串口或無線模塊發(fā)送至上位機(jī)或云端，以便進(jìn)行進(jìn)一步處理和存儲(chǔ)。其次，進(jìn)行時(shí)間判斷，如果需要執(zhí)行預(yù)測(cè)算法，那么利用算法對(duì)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并發(fā)送至LCD顯示預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。再次，對(duì)聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行判斷，如果沒有聯(lián)網(wǎng)，那么數(shù)據(jù)只顯示在本地，反之?dāng)?shù)據(jù)同時(shí)上傳至云端。最后，設(shè)置相應(yīng)的延時(shí)和循環(huán)等待，以保證程序的穩(wěn)定運(yùn)行和響應(yīng)速度。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 甲醛檢測(cè)準(zhǔn)確度測(cè)試

本測(cè)試準(zhǔn)備了一個(gè)低濃度含醛的被測(cè)物，與一個(gè)精確度較高的市場(chǎng)同類設(shè)備進(jìn)行比較。在測(cè)試過程中做好防護(hù)，防止有害氣體損害健康。使用含千分之一甲醛的溶液進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

本試驗(yàn)分別在同等溫度、不同濕度下和不同溫度、相同濕度下進(jìn)行比較，由表1數(shù)據(jù)可知，實(shí)測(cè)值和參照組所檢測(cè)的值幾乎一致，說明測(cè)量準(zhǔn)確度符合設(shè)計(jì)要求。

4.2 甲醛數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度測(cè)試

在正常情況下，分別對(duì)5 min、30 min和60 min的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確度測(cè)試。首先，將溫度和濕度控制在一個(gè)相似的范圍內(nèi)，控制含甲醛物平緩地釋放甲醛氣體。其次，測(cè)試5 min、

30 min和60 min后預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)，分別見表2、表3。分析表2、表3數(shù)據(jù)可知，5 min后的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)是相對(duì)準(zhǔn)確的，30 min和60 min后的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)稍有偏差，接近±0.005 mg/m3。

由上述試驗(yàn)分析可知，在被測(cè)環(huán)境中，甲醛自然釋放狀態(tài)下的檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度較高，甲醛數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)精度在普遍情況下相對(duì)準(zhǔn)確。

5 結(jié)論

本文提出了一種基于邊緣計(jì)算的甲醛檢測(cè)儀設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)將甲醛傳感器、溫/濕度傳感器、數(shù)據(jù)顯示模塊和無線通信模塊等傳感器與嵌入式系統(tǒng)相結(jié)合，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地對(duì)甲醛濃度進(jìn)行檢測(cè)和預(yù)測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)具有較高的靈敏度和響應(yīng)速度，能夠進(jìn)行穩(wěn)定的甲醛濃度檢測(cè)。因此，本文設(shè)計(jì)具有較高的準(zhǔn)確性和較好的效果應(yīng)用，能夠滿足實(shí)際需求，具有較好的應(yīng)用前景，尤其在家庭、辦公室等場(chǎng)所的甲醛檢測(cè)方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

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