楊洋 楊亞東

摘? ?要：基于開源硬件Arduino，開發(fā)了一款多參數(shù)室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)室內(nèi)一氧化碳、甲醛、灰塵和溫濕度的實(shí)時(shí)檢測(cè)和顯示，并具有數(shù)據(jù)分析、超限報(bào)警等功能。文章介紹的裝置具有測(cè)量參數(shù)多、體積小、成本低和使用方便的特點(diǎn)，面向一般家庭用戶使用，具有較強(qiáng)的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè);甲醛;一氧化碳;灰塵;報(bào)警

1? ? 室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)背景

室內(nèi)空氣質(zhì)量健康與否直接關(guān)系著居民的身體健康和兒童的生長(zhǎng)發(fā)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(huì)引發(fā)呼吸道疾病、肺病等多種嚴(yán)重疾病，而且容易引發(fā)人身安全事故。加之近年來我國各地霧霾天氣的出現(xiàn)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(shí)用的檢測(cè)設(shè)備來監(jiān)測(cè)室內(nèi)的空氣質(zhì)量。

現(xiàn)如今，面市的檢測(cè)室內(nèi)空氣質(zhì)量的儀器普遍存在監(jiān)測(cè)的參數(shù)比較單一、需要專業(yè)人員操作等缺點(diǎn)。在這種情況下，設(shè)計(jì)開發(fā)一款操作方便的多參數(shù)室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)居民生活是十分有意義的。本文基于開源硬件Arduino開發(fā)了一款室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，此系統(tǒng)旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)一氧化碳、甲醛、可吸入顆粒、溫濕度等多參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量，所測(cè)量的室內(nèi)空氣質(zhì)量參數(shù)都是人們居家生活所普遍關(guān)心的參數(shù)，居民能隨時(shí)了解室內(nèi)空氣質(zhì)量狀況，做好預(yù)防措施。

2? ? 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由下位機(jī)、通信模塊和上位機(jī)3部分組成，組成框架如圖1所示。圖中，下位機(jī)以Arduino開發(fā)板為核心構(gòu)成，包括傳感器模塊、顯示器和報(bào)警裝置。通信模塊負(fù)責(zé)上位機(jī)與下位機(jī)間的通信，下位機(jī)傳感器采集到的數(shù)據(jù)送給顯示器顯示的同時(shí)通過通信模塊傳給上位機(jī)，如PC機(jī)、筆記本電腦或智能手機(jī)等，上位機(jī)分析傳感器數(shù)據(jù)，繪制和記錄各空氣參數(shù)的變化曲線圖，當(dāng)環(huán)境參數(shù)值超出國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全范圍，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，并給出提示[1]。

本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，工作方式可以靈活多樣，去掉上位機(jī)和通信模塊，單獨(dú)下位機(jī)也可以作為一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)工作，完成測(cè)量參數(shù)的顯示和報(bào)警功能，只是不能記錄和繪制空氣質(zhì)量參數(shù)的變化曲線數(shù)據(jù)。下位機(jī)去掉顯示器和報(bào)警器時(shí)，也可以通過上位機(jī)進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)的顯示和報(bào)警。

3? ? 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1? Arduino開發(fā)板的選取

采用Arduino Uno開發(fā)板。這種開發(fā)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(fā)板的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)部具有模數(shù)轉(zhuǎn)換器并且能將Atmega16U2編程為一個(gè)USB-to-serial轉(zhuǎn)換器，縮短了編譯和上傳程序的時(shí)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(duì)一氧化碳、液化氣、甲烷等氣體有著很高的靈敏度，對(duì)空氣中的其他氣體也可以準(zhǔn)確檢測(cè)，MQ-7能夠檢測(cè)不同種類的可燃性氣體，而且它的制作成本并不高，是一個(gè)應(yīng)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(duì)甲醛、乙醇、甲苯等有害氣體有著很高的反應(yīng)速度，對(duì)空氣中的其他氣體也可以準(zhǔn)確檢測(cè)，MQ-138能夠檢測(cè)不同種類的有機(jī)蒸汽，而且它的制作成本并不高，是一個(gè)應(yīng)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(jiǎn)單的電路將其電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。

3.2.3? 灰塵傳感器

選用灰塵傳感器DSM501，該傳感器可以檢測(cè)到房間內(nèi)的灰塵和固體小顆粒，具有自動(dòng)加熱吸氣裝置，檢測(cè)灰塵數(shù)值的上限可用調(diào)節(jié)電阻去控制。它檢測(cè)出的值是在單位體積內(nèi)的絕對(duì)個(gè)數(shù)，與粒子計(jì)算器是在同一理論上進(jìn)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(shù)字溫度和濕度傳感器，而且也是一種復(fù)合傳感器。內(nèi)部包含一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件。它采用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，通過單線制串行接口輸出完成校準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)。具有體積小、響應(yīng)快、抗干擾強(qiáng)、價(jià)格便宜、有長(zhǎng)期的穩(wěn)定性和極高的可靠性等優(yōu)點(diǎn)。

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(duì)人體比較健康。液晶LCD使用過程中消耗的電能比較小，對(duì)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(qiáng)，清晰、穩(wěn)定、像素分辨率也很高，不會(huì)出現(xiàn)模糊、重影等現(xiàn)象。液晶LCD還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是不容易受到外界的干擾。

3.2.6? 報(bào)警模塊

選用蜂鳴器用作超限報(bào)警，一旦發(fā)現(xiàn)各參數(shù)中的任何一個(gè)超過額定限制，就可以進(jìn)行報(bào)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(qiáng)系統(tǒng)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(lán)牙模塊，用戶可以根據(jù)具體情況選用。為便與計(jì)算機(jī)連接，有線通信時(shí)，計(jì)算機(jī)通過USB轉(zhuǎn)RS485模塊與MAX485模塊相連接。無線通信時(shí)，計(jì)算機(jī)通過藍(lán)牙模塊與下位機(jī)藍(lán)牙模塊進(jìn)行無線通信。

4? ? 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)控制和配合硬件系統(tǒng)工作，包括下位機(jī)軟件程序和下位機(jī)軟件程序兩部分。下位機(jī)程序在Arduino IDE環(huán)境開發(fā)，采用類似C語言編寫，并調(diào)用Arduino庫函數(shù)。上位機(jī)程序采用虛擬儀器LabVIEW軟件開發(fā)。LabVIEW是一種圖形化的開發(fā)工具，功能強(qiáng)大，易學(xué)易用，便于開發(fā)出圖形化的顯示界面[4]。

4.1? 下位機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)的工作方式編寫。負(fù)責(zé)控制下位機(jī)傳感器數(shù)據(jù)的采集、顯示、報(bào)警和與通信模塊的接口。下位機(jī)單獨(dú)工作時(shí)的程序流程如圖2所示。

根據(jù)人體對(duì)有害氣體和顆粒物的濃度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行閾值設(shè)置，當(dāng)系統(tǒng)采集值換算為濃度值超過設(shè)置的閾值時(shí)，蜂鳴器開始報(bào)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(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為保證上位機(jī)工作，上位機(jī)除了安裝LabVIEW軟件外，還需安裝美國NI公司提供的DSC模塊（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)監(jiān)控模塊）和Real-time模塊（實(shí)時(shí)模塊），這樣才能實(shí)現(xiàn)modbus通信應(yīng)用。需要說明的是本系統(tǒng)的上位機(jī)和通信模塊是可選部件，去掉這兩部分，下位機(jī)可以作為一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)工作，完成空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)任務(wù)。

5? ? 系統(tǒng)測(cè)試

為測(cè)試本系統(tǒng)的有效性，分別在下位機(jī)單獨(dú)工作和加上上位機(jī)兩種工作方式下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，其中，上位機(jī)工作時(shí)分別測(cè)試了有線和無線兩種通信方式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠可靠工作，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。圖3給出了系統(tǒng)測(cè)試時(shí)下位機(jī)LCD顯示器的顯示界面[5]。

6? ? 結(jié)語

本文開發(fā)了一種多參數(shù)室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)一氧化碳、甲醛、灰塵和溫濕度的測(cè)量。這些空氣質(zhì)量參數(shù)都是家庭用戶所普遍關(guān)系的，且本系統(tǒng)工作方式靈活，操作簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)，可以實(shí)時(shí)測(cè)量，便于一般家庭使用。

基金項(xiàng)目：陜西省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目;項(xiàng)目名稱：基于Arduino的多參數(shù)室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng);項(xiàng)目編號(hào)：127152017043。

作者簡(jiǎn)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(xiàn)]

[1]毛敏，張明宇，譚艷君，等.基于Arduino和LabVIEW的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2017（2）：84-87.

[2]蘭羽，盧慶林. 基于MQ138傳感器的甲醛檢測(cè)儀設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2013（8）：111-114.

[3]毛敏.基于Arduino和LabVIEW遠(yuǎn)程可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].電氣自動(dòng)化，2017（5）：32-34.

[4]秦華，孫曉松.基于Arduino/Android的環(huán)境狀況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].無線互聯(lián)科技，2013（1）：59-61.

[5]田開坤.基于LCD12864顯示器的數(shù)字示波器設(shè)計(jì)[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