GSM网络的室内空气质量监测系统设计

魏庆丽， 王　洁， 杨　晨， 邓欣欣

(吉林大学 仪器科学与电气工程学院，吉林 长春 130021)



GSM网络的室内空气质量监测系统设计

魏庆丽， 王洁， 杨晨， 邓欣欣

(吉林大学 仪器科学与电气工程学院，吉林 长春 130021)

设计使用气体传感器针对室内空气中的PM 2.5和甲醛含量进行检测，通过微处理器进行处理与分析，在液晶显示屏上显示数据，并根据设定阈值进行声光报警，利用全球移动通信系统GSM无线网络进行远程通信，实现远程实时监测室内空气质量。

室内空气质量； PM2.5； 甲醛； GSM网络

0　引　言

室内环境指人们生活、工作及其他相对封闭的场所等。据统计，人每天平均有80 %～90 %以上的时间是在室内度过，所以，室内空气质量的好坏对人们身体健康的影响远高于室外空气质量[1]。随着工业的发展，人们所处的生活环境日益恶劣，各种呼吸道疾病的发病率大幅度提高，因此，对室内空气质量进行实时监测十分必要。

目前，影响室内空气质量的污染物主要有甲醛、PM2.5等，传统的检测系统大多只能检测一种空气质量参数，且价格昂贵，操作复杂，不能在室内普遍应用。本文设计一种能检测多种空气质量参数，并能利用全球移动通信系统(GSM)网络进行远程监测的系统十分有现实意义[2～4]。

1　系统的总体结构设计

基于GSM网络的室内空气质量监测系统主要包括中央处理模块、传感器检测模块(PM2.5检测模块、甲醛含量检测模块)、键盘控制模块、显示模块、阈值报警模块、GSM通信模块、供电模块[5～8]。系统总体设计框图如图1所示。

图1　系统总体设计框图

系统通过传感器采集信息，经单片机处理后，在LED显示屏显示数据，当数据值大于设定的浓度阈值时，单片机实现声光报警，并通过GSM网络向手机终端发送报警短信，实现远程监控。

2　系统硬件设计

2.1PM2.5检测模块

检测PM2.5的传感器采用夏普公司生产的GP2Y1010AU0F，它是一种光学浓度检测传感器，其内部对角位置上分布着光电晶体管、红外线发光二极管，利用光敏原理检测空气中细微的颗粒，由光经粒子衰减公式I=Ioe-pd，将电流衰减前后差转换为电压脉冲，根据输出脉冲的高度来判断PM2.5的浓度。传感器具有体积小，重量轻等特点，便于安装携带，它的最大电流值为20 mA，通常使用直流电压达7 V的电流，输出与粉尘浓度呈正比的0～5 V的模拟电压信号。

2.2甲醛检测模块

2.3GSM网络模块

GSM模块采用SIMCom公司的SIM900A为主控芯片，SIM900A是紧凑型、高可靠性的无线模块，采用STM封装的双频GSM/GPRS模块解决方案。它具有功能强大的处理器ARM9216EJ—S内核，能满足低成本、紧凑尺寸的开发要求。它还具有标准的AT命令接口，可以提供短消息，GSM语音等多项业务。单片机通过串口对GSM模块发送AT指令，便可实现对SIM900A的控制。该模块工作流程图如图2所示。

图2　GSM网络通信流程图

3　系统软件设计

监测系统的主要程序流程是控制STC12C5A60S在一定周期内采集传感器获取的数据，经过处理后，在液晶屏上显示，并通过对SIM900A模块写入不同的AT指令后，完成相应的通信任务[9～12]。系统的软件流程图如图3所示。

图3　系统的软件流程图

4　实验结果与分析

4.1系统PM2.5检测性能验证

4.1.1采集PM2.5数据

利用扩散烟雾法测试系统检测PM2.5能力。点燃一根香烟，靠近PM2.5传感器，慢慢增加烟的浓度，读取11个浓度值间隔大致相等的数据，分别测量该浓度下传感器输出电压，实测情况下传感器的特性曲线如图3所示。

图4　实测粉尘浓度特性曲线

图5　理论粉尘浓度特性曲线

经比较实测特性曲线与理论特性曲线轮廓相似。

4.1.2甲醛数据处理与分析

该传感器采用串口通信方式提高了测量精度，串口的配置要求为：1)波特率：2 400 bit/s;2)每10 ms发送1个字节，共7个字节，一个校验位

Parity=Vout(H)+Vout(L)+Vref(H)+Vref(L)

(1)

将接收到的电压值的数据按公式

(2)

计算后得到Vo的值，灰尘浓度就为K×Vo，k为质量浓度转换系数。

根据所测数据可计算输出电压范围

V=VOH-VOL=(3.75-0.83)V=2.92V

(3)

可计算出粉尘浓度范围

c=cOH-cOL=(0.625-0.000)mg/m3

=0.625mg/m3

(4)

可计算出检测灵敏度

(5)

由以上数据可知，系统对PM2.5的检测在测量范围内有较好的线性度及较高的灵敏度。

4.2系统甲醛检测性能验证

4.2.1采集数据

系统通电后，预热3min，每隔10s采集一次甲醛浓度含量数据，其实测数据如表1所示。

表1　实测甲醛浓度与输出电压

4.2.2PM2.5数据处理与分析

甲醛模组采用串口通信方式，其标准为：停止位1位，数据位8，校验位无，波特率9 600。模组默认通过串口发送数字信号，每隔1 s发送浓度值，默认单位10-6，需用公式

(6)

转换单位M为摩尔质量，Ba为压力，T为气体温度，经过简化后得出：模组检测数据×1.25mg/m3。

采用最小二乘法拟合求取灵敏度和线性度。设拟合直线方程为y=kx+b，其中

(7)

(8)

式中n为实际测量数据个数，x为甲醛浓度，y为输出电压，经计算得K=0.448 8v/(mg/m3)，b=0.032 98。 由Δi=yi-(kxi+b)得最大非线性误差：ΔLmax=0.05v。由以上数据得到拟合曲线图及残差，如图6、图7所示。

图6　拟合曲线图

图7　实测数据与拟合曲线残差

由图6可知，系统对甲醛检测有较好的线性度和较高的灵敏度。

4.3实验对照

将监测系统与P—5L2C型粉尘仪和JC—7高精度甲醛监测仪进行对比测试，测试结果如表2所示。

表2　对比试验数据

x1,y1是本系统实测PM2.5和甲醛浓度；x2,y2分别是P—5L2C型粉尘仪检测PM2.5浓度和JC—7检测甲醛浓度。由实验结果分析可知，与市场上现有PM2.5检测仪和甲醛检测仪的性能比较，本系统对PM2.5和甲醛的检测精确度可达到±0.3 %和±1.3 %，检测量程大，可对当前室内空气PM2.5和甲醛含量作出优、良、轻度污染、中度污染、重度污染评估。此系统操作方便，体积小，成本低，适合家用检测空气质量。

5　结　论

本文提出一种便携式的远程空气质量监测系统的设计方案，通过STC12C5A60S2微控制器结合夏普GP2Y1010AU0F灰尘传感器和ZE08—CH2O甲醛模组实现对空气中的PM2.5和甲醛的参数测量，并通过键盘预设限值，判断空气质量标准，发出超标警报，利用GSM网络技术，对室内空气质量进行实时监测，远程报警，提醒人们采取措施，改善室内空气质量，防止空气污染对健康造成威胁。

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Design of indoor air quality monitoring system based on GSM network

WEI Qing-li， WANG Jie， YANG Chen， DENG Xin-xin

(College of Instrumentation & Electrical Engineering，Jilin University，Changchun 130021，China)

This design uses gas sensors for testing PM 2.5 and formaldehyde content in indoor air,use microprocessor for processing and analysis, displaying the data on LCD screen,and according to setting threshold for alarm,use global system for mobile communication GSM wireless network for remote communication,realize remote and real-time monitoring of indoor air quality.

indoor air quality; PM2.5; formaldehyde; global system for mobile communication GSM network

10.13873/J.1000—9787(2016)09—0069—03

2016—01—04

TH 855

A

1000—9787(2016)09—0069—03

魏庆丽(1972-)，女，吉林省四平人，工程师，主要从事传感器技术应用研究。