基于單片機的家居環境監測器設計研究

摘" 要：該文提出一套基于單片機的家居環境監測器的設計方案。以STC89C516單片機作為主控模塊，使用霍爾傳感器、蓋革計數管和甲醛傳感器作為數據采集模塊，實時獲取室內電磁輻射強度、電離輻射劑量率和甲醛濃度的監測數據，并通過GPRS通信模塊，將3項監測數據以短信方式向房主手機定時發送。初步測試中，在系統程序指定手機上成功接收到3項監測數據，均值分別為4.61 mT、1.037 2 mSv/y和0.049 9 mg/m3。測試結果表明，系統總體設計合理、各功能模塊運行穩定，實現多參數實時監測的預期目標，可應用于家居環境的監測。

關鍵詞：單片機；通用分組無線服務；環境監測；系統設計；監測器

中圖分類號：TP368.1" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）36-0038-05

Abstract： Based on Microcontroller Unit technology， a design scheme of Home Environment monitor was proposed. In this system， STC89C516 MCU was used as the main control module. Hall sensor， Geiger counter tube and formaldehyde sensor were used as data acquisition modules to obtain electromagnetic radiation intensity， ionizing radiation dose rate and indoor formaldehyde concentration data in real time. GPRS communication module was used to send the real-time monitoring data to homeowner regularly by mobile short message. In the test experiments， short messages of the monitoring data were successfully received by the designated mobile telephone in the computer program. The average values of electromagnetic radiation intensity， ionizing radiation dose rate and indoor formaldehyde concentration were 4.61 mT， 1.037 2 mSv/y and 0.049 9 mg/m3. The test results show that the design schemeis reasonable， operation of each functional module is stable and expected function of real-time multi-parameter monitoring is achieved. This system can be applied to the home environment monitoring.

Keywords： Microcontroller Unit（MCU）; General Packet Radio Service; environment monitoring; system design; monitor

近年來，隨著全社會環保意識的日益增強，人們對于日常家居環境、特別是裝修以后居室內的環境健康越來越重視。目前在市場上銷售的針對家居環境參數監測的產品很少，相關研究工作大多是監測溫度、濕度和光照強度等與居室生活舒適度相關的參數[1-3]，而對于嚴重影響人體生理健康的電磁輻射[4]、甲醛濃度[5]和放射性污染[6-7]等環境參數的關注較少。同時，相關研究工作在構建監測系統網絡的技術上較復雜[1-3]，運行穩定性不高，應用推廣的成本支出較大。

本文基于單片機（MCU）技術，開展了具有多參數實時監測功能的復合型家居環境監測器的設計研究工作。系統以嚴重影響家居環境健康的室內電磁輻射強度、電離輻射劑量率和甲醛濃度等3項指標作為監測對象，并且應用通用分組無線服務（GPRS）技術[8]，以定時發送的方式，將監測數據以短信形式發送到房主手機。在目前家居環境監測產品的銷售市場中，尚無具備上述功能的同類產品。因此，本項目的設計研究工作具有一定的市場應用推廣價值。

1" 系統總體設計

監測器的總體結構是由數據采集單元、主控單元及遠程傳輸單元等3個主要功能模塊組成，如圖1所示。其中，數據采集單元包括了電磁輻射探測器、電離輻射探測器和甲醛探測器，分別用于測量居室內的電磁輻射強度、電離輻射劑量率和甲醛濃度。遠程傳輸單元通過GPRS模塊實現將監測數據通過短信方式發送到房主的手機。控制單元是系統的核心部件，采用STC89C516單片機[9-10]來實現主要控制功能：①控制各個探測器定時采集和上傳監測數據；②控制GPRS模塊，向指定手機發送含監測數據的短信。

2" 硬件設計

2.1" 主控單元

系統選用STC公司的89C516型單片機作為控制單元部件，該單片機具有64 KB的 Flash存儲器和128字節隨機存取存儲器（RAM），可實現在線系統串口編程（In System Programmable，ISP）功能。它的中央處理器芯片具有40個引腳，其中有32個I/O口可供用戶使用[11]，如圖2所示。通過單片機芯片的通用輸入輸出引腳、中斷功能引腳和串行通信功能引腳，分別與數據采集單元中的各個探測器及GPRS模塊相連接，實現單片機對于數據采集單元和遠程傳輸單元的運行控制。

根據系統總體設計方案，GPRS模塊和數據采集單元中的各個探測器，與單片機芯片引腳的連接配置如下：①單片機芯片中具有串口功能的2個引腳P3.0和P3.1連接GPRS模塊，通過串口方式向GPRS模塊傳輸數據，并控制GPRS模塊對外發送監測數據短信；②單片機具有中斷功能的2個引腳P3.2和P3.3，分別連接電離輻射探測器和甲醛探測器；③使用單片機的通用I/O引腳P3.7通過A/D轉換模塊連接電磁輻射探測器。

2.2" 數據采集單元

2.2.1" 電磁輻射探測器的選型分析

電磁輻射探測器主要針對磁場強度作監測，選用線性型霍爾傳感器[12]進行數據采集。線性型霍爾傳感器是將霍爾元件、放大器、穩壓器和溫度補償電路[13]等制作在一塊芯片上的集成電路器件。其中，霍爾元件可將磁場強度信號轉換成模擬電壓信號，即

U=BIRH/d ，" （1）

式中：B為磁感應強度；RH為霍爾系數；I為霍爾元件中的電流強度；d為霍爾元件的厚度。霍爾系數的取值決定于制作霍爾元件半導體材料的屬性。

霍爾元件產生的模擬電壓信號較微弱，須經放大整形處理后才能輸出[12]。進行測量之前，需要先標定出磁場強度為零時的基準電壓，測量時再根據實際輸出電壓與基準電壓的比值，來獲取探測到的磁場強度值。系統選用線性型霍爾傳感器產品，設定2.5 V為基準電壓且設定輸出電壓每變化14 mV，對應于磁場強度變化1 mT。將單片機芯片的P3.7引腳通過A/D轉模塊與傳感器的模擬電壓信號輸出接口連接，即可實現單片機對于傳感器輸出電壓信號的讀取，再通過單片機中程序代碼的運行，換算得出所監測到的磁場強度值。

2.2.2" 電離輻射探測器的選型分析

電離輻射信號的采集，選用蓋革計數管[14]。在蓋革計數管的陰極和陽極之間，加上適當工作電壓后可形成柱狀對稱電場。當環境中的輻射射線粒子進入蓋革計數管以后，管內的惰性氣體被電離。負離子由陽極吸引并移向陽極，與其他氣體分子碰撞后產生多個次級電子，快到陽極時次級電子急劇倍增產生雪崩現象，發生放電并輸出脈沖信號。入射輻射射線的粒子束強度越強，單位時間內輸出的脈沖個數就越多。蓋革計數管在使用之前，通常需要先用放射性活度已知的輻射源做標定，確定出單位時間內的脈沖計數與輻射劑量率之間的換算函數。

系統所選用的蓋革計數管，經過標定以后，其換算函數如下

17nCPM=1 mSv/y" "， （2）

式中：nCPM表示蓋革計數管每分鐘的脈沖計數；mSv/y是輻射劑量率的一種計量單位，它表示1微希沃特每年。根據公式（2），將蓋革計數管每分鐘計數率的數值，除以換算系數17，即可換算出以mSv/y為計量單位的輻射劑量率的數值。

蓋革計數管輸出的初始脈沖信號，不能直接被單片機讀取識別，需經過放大成形電路處理形成方波脈沖信號以后，才能夠輸入到單片機進行準確地脈沖計數，如圖3所示。通過與具有中斷功能的單片機芯片引腳P3.2連接，方波脈沖信號輸入到單片機，進行脈沖計數和脈沖計數與輻射劑量率的換算。

2.2.3" 甲醛探測器的選型分析

甲醛氣體監測選用的是基于電化學原理[15]工作的甲醛傳感器。電化學型甲醛傳感器的核心模塊是由膜電極和電解液封裝而成，甲醛氣體通過與電解液發生反應，將電解液分解成陰陽帶電離子后，在膜電極上以電信號的形式輸出，通過檢測輸出電信號的強度，即可獲取所監測的甲醛氣體濃度值。與其他檢測方式相比，電化學傳感器具有抗干擾能力強、靈敏度高、性能穩定等優點[16]。

本系統所選用的甲醛傳感器，在其內部結構中已集成了數據處理電路，具有數字信號輸出功能，將甲醛傳感器數據輸出管腳與單片機具有中斷功能的P3.3引腳連接，即可獲取甲醛傳感器的輸出數據。

2.3" 遠程傳輸單元

單片機在獲取監測數據以后，可以控制GPRS模塊向指定號碼的手機遠程發送數據。GPRS模塊選用SIMCom公司生產的SIM900A型GPRS模塊產品[17]，其芯片引腳如圖4所示。該款產品內嵌TCP/IP協議，采用通用異步收發傳輸（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）通信技術實現數據傳輸。同時，該產品還支持手機SIM卡和AT指令集，可使用AT指令控制SIM900A模塊接收用戶指令并發送終端數據包。

系統使用單片機芯片的P3.0和P3.1引腳，分別連接GPRS模塊的TXD_O和RXD_I引腳，通過P3.1引腳向GPRS模塊發送字節型的控制指令和監測數據，實現兩者之間的異步串行通信。

3" 軟件設計

系統的主程序流程如圖5所示，系統啟動以后，首先是各個探測器和GPRS模塊的初始化，然后開始執行主程序循環。在主程序循環中，首先是單片機向各個探測器發送測量指令，各個探測器開始測量，同時計時器開始計時。

各個探測器將監測到的數據返回給單片機處理，并保存在單片機存儲器的數組中，然后單片機執行判斷語句，將監測數據與預先設定監測閾值作比較。如果實測數值超標，就調用執行GPRS模塊子程序；不超標就繼續執行下一條判斷語句，比較計時器的計時時間是否達到預先設定的定時時間，若達到定時時間，也將調用GPRS模塊子程序，若沒有達到定時時間，就返回執行主程序循環。

GPRS模塊子程序的功能是啟動GPRS模塊進行數據傳輸，向系統中已經預設號碼的手機發送短信。若實測數值小于閾值且監測計時小于定時時間，就不調用GPRS模塊子程序，再次執行主程序循環，通過程序循環來實現環境參數的實時動態監測。

4" 測試實驗與分析

在完成系統軟硬件設計及各個傳感器選型后，將單片機、各探測器單元模塊和GPRS模塊等硬件部件進行接線焊接和組裝，構成了一套實驗測試系統，以驗證系統設計方案的可行性和可靠性。測試開始之前，已將中國移動通信集團有限公司的SIM卡裝入GPRS模塊的卡槽內，并在GPRS模塊子程序代碼中預置了接收監測數據手機的號碼。

測試分為2個環節進行。在第一個環節中，將主程序中各個探測器的監測閾值均設置為零，用以測試系統在監測數據超標時的運行情況；在第二個環節中，將主程序中各個探測器的監測閾值都設定為一個較大值，測試系統的定時發送功能。在上述2項測試中，GPRS子程序均可正常運行，在手機端都成功接收到了監測數據。

表1是在定時發送功能測試環節中接收到的一組數據。測試結果表明，系統各主要功能模塊，均可正常協同工作，初步實現了開展多參數實時監測的設計要求。

經過計算，表1中所記錄的甲醛濃度測量均值為0.049 9 mg/m3，小于GB/T 18883—2002《室內空氣質量標準》[18]中規定的室內空氣甲醛濃度的標準值0.1 mg/m3；輻射劑量率的測量均值為1.037 2 mSv/y與天然輻射本底水平[19]相當，且小于GB 18871—2002《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》[20]中規定的劑量率限值，表明這2項測試數據的可靠性和有效性。磁場強度數據均值為4.61 mT，與現行GB 8702—2014《電磁環境控制值》國家標準[21]中規定的控制限值相比，有一定超標。初步分析原因，主要有以下2個方面。

交變電磁場是一種三維矢量場，霍爾傳感器中霍爾元件放置的方位不同，會對測量數據的精確度產生一定影響。為此，下一步將考慮采用多個霍爾傳感器組成三維探測陣列的方法來加以解決。

系統選用的霍爾傳感器，在測量交變電磁場時，有一定的局限性，對于不同頻率范圍的電磁場，霍爾元件產生了頻率響應[22]，影響了測量的精度。因此，需要針對霍爾傳感器的信號獲取電路，做進一步的優化和改進。

5" 結論

本文介紹了一種復合型家居環境監測器的設計和研究工作。在設計中，使用單片機控制多個傳感器及功能部件的協同工作，利用比較成熟的GPRS技術，通過單片機驅動GPRS無線通信模塊，實現了多個監測參數的定時遠程傳輸。初步測試實驗結果表明，系統整體運行穩定，基本達到了設計要求，可以滿足對家居環境開展多參數實時監測的功能需求。并且，系統整體在技術實現上較為簡單，總體造價較低，安裝和使用也較為簡便，因此具有一定應用價值。

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