甲醛监测仪设计及其低功耗研究

王晗　张陆鑫　金文清　徐强　汪斌

【摘 要】甲醛监测仪旨在为室内甲醛气体检测提供一种新型的监测、管理方式，同时提高了甲醛监测的现代化、自动化程度，弥补了目前对大多数室内有毒气体在管理上的不便。本文通过手机APP实时监测室内甲醛浓度，实现室内甲醛浓度数据的在线实时监测和传输，同时在电脑终端对采集数据进行处理，当环境数据达到临界指标时自动报警，提示户主做出应对措施。该监测仪有携带方便和读数容易等优点，可广泛应用到家居甲醛监测中。

【关键词】ZigBee；甲醛监测；无线传感网络

【Abstract】This system is based on the ZigBee technology which can do a real-time detection about the concentration of formaldehyde. It is a new monitoring and management way to monitor formaldehydes concentration. This system can not only monitor and transmit the data but also dispose data with computer. When the concentration reaches the critical value， it can warn the homeowner. The detector has the advantages of convenient carrying and easy reading， and can be widely applied to the concentration of formaldehyde in the home.

【Key words】ZigBee； Formaldehyde monitoring； Wireless Sensor Networks

0 引言

近年来，随着家庭居室和办公室的装修装饰材料的广泛使用，甲醛超标导致的污染问题越来越严重。无色的甲醛气体易诱发癌症、哮喘等疾病，对人体健康造成较大伤害。因此，如何实现实时准确的甲醛监测成为家居环境污染监测中的一个问题。此外，随着物联网技术不断的创新发展、智能手机的普遍应用，以及智能手机在物联网的无线通信、物体识别和环境感知等方面的技术优势，使得智能手机成为物联网最好的载体之一。该设计结合ZigBee技术和智能手机更高效地进行甲醛浓度的检测，采用ZigBee终端和甲醛传感器实时监测甲醛浓度数据，并通过无线传感网络送到服务器存储浓度数据，同时通过运行在智能手机上的应用软件实时查询甲醛浓度。本项目最终构成的理想化智能甲醛监测仪模型对比市面上大多数监测仪而言，成本低、功耗低、便携性强，对构建绿色健康的智能家居生活有着良好的影响。

1 甲醛监测仪系统结构

本文的甲醛监测仪采用基于无线传感网络的解决方案，具体工作网络以树状网络的形式展开整个网络。树形网络的终端为传感器子节点，树形网络的汇聚端为根节点，传感器节点如图1所示：传感器节点终端负责收集甲醛浓度数据，传感器节点采用的主控制器为CC2530芯片，该芯片拥有RF收发器和增强型的8051单片机，选用的甲醛传感器为ZE07-CH2O型甲醛传感器，该甲醛传感器具有功耗低、灵敏度高、操作性强等优点[1]，其根据甲醛在电极作用下易氧化的特点，将空气中不同浓度的甲醛转化为不同强度的扩散电流，在经放大电路将电流信号放大数倍，再经A/D转化将电路中的模拟信号转为数字信号，传至ZigBee节点。传感器与带有天线的ZigBee模块连接，构成数据的收集模块。数据收集过程中，可能会有两种情况产生误差：一是，其他易因电极反应氧化的气体（如二氧化硫）会对实验所收集到的数据产生影响，这里我们通过已知的气体浓度，利用软件消除该影响；二是，传感器易受到其他电磁波的干扰，在调试阶段，使装置远离干扰源也是实验能正确有效进行的保证。

当传感器节点在工作时，通过甲醛传感器采集室内的甲醛浓度，将收集到的数据通过模/数转换器（ADC）转换后送入8051单片机进行处理，然后将得到甲醛浓度数据通过射频收发模块传输到其他的传感器节点，并通过这些传感器中继节点传输到远端的电脑服务器，实现传感器节点的网络传输[2]。本系统采用了结构较为简单的8051单片机，操作方便，适于该项目的初步研究。其中传感器节点软件基于Z-stack的协议栈编写，采用串口读取甲醛传感器浓度数据，并调用API函数通过RF收发模块发送数据。

本文的无线传感网络结构如图2所示，该系统将无线传感网络构建成树状网络，每个子节点将在不同位置采集到的数据信息通过传感网络传送到各子节点所对应的路由节点，路由节点将整合好的数据信息传送到根节点，根节点通过发送AT指令，将整合后的数据信息传送至与之相连的GPRS模块，此时GPRS模块通过互联网将信息传送至远端电脑服务器端。与服务器相关联的智能手机可通过预设的软件下载对应的环境参数，达到实时监测的目的[3]。同时，用户可以根据实际情况，在智能手机上设置报警的甲醛浓度值。其中，手机上的应用程序采用JAVA语言编写，通过应用程序的查询功能可以实时查询每个传感器节点的甲醛浓度信息，同时可以对每个节点设置报警浓度值，当传感器节点甲醛浓度超过报警浓度值时，通过连接到服务器的短信收发模块发送短信到智能手机，对用户进行浓度超标提醒。同时系统会根据实验环境的需要，在各个传感器节点设计一个时间段，如果在这个时间段内，甲醛浓度值一直高于预设的报警浓度值，此时短信收发模块才会将报警短信发送至智能手机上。这样的设计避免了因数据测量误差引起的无效报警，提高了系统的灵活性和容错性。

2 低功耗设计

在实际工作场合中，由于传感器节点需要使用电池供能，传感器节点的功耗决定了其使用寿命，所以如何降低传感器节点功耗，使传感器工作时间得以增长成为该系统设计的方向。在自动化的甲醛监测设备中，其终端设备主要为对应的ZE07-CH2O型甲醛传感器及其A/D转换电路构成。为了得到在室内甲醛浓度的实际情况，需要测量室内多个点的甲醛浓度参数。由于各种环境因素的影响，部分元器件会出现传感器失效的情况，最后导致收集到错误不准确的数据。所以在甲醛浓度的参数检测的过程中，可采取位置比较相近的传感设备测得的参数值来对每个点来判断获取的数据是否正确并加以修正。另外，在一些环境较为恶劣的情况下，如果两个传感器节点位置比较相近的情况下，采取传感器节点交替工作的形式，使元器件可以在较特殊的环境下延长工作时间，同时也达到低功耗节能的目的。

具体实现过程如下：在传感器模块开始正式监测前，将放置在室内的多个位置相近放置传感设备全部打开，执行初期的数据采集，用之作为下阶段数据对比的依据，电脑端收集到的数据信息采用MATLAB进行分析与对比。若处于室内不同方位的传感设备，位置相近的两个传感设备获得的甲醛浓度相同或相近，由此判定该区域内的相关环境物理量相似，可以随机关闭其中一个传感设备。经过一段时间后，打开关闭的传感设备，若数据发生变化，则认定此时两个设备所处环境的甲醛浓度不同，则需要将两个设备同时打开[4]。这样的设计可以使传感设备间歇工作，同时也可以得到准确的数据，减少数据处理量，达到低耗节能的目的。

3 结语

甲醛监测仪与智能手机的结合，让原本单一的甲醛监测仪变得更加智能化、网络化，手机通过无线传感网络即可获得相应的甲醛监测仪上的数据，让其操作变得更加简便，智能手机上应用程序的数据处理可以更直观的观察甲醛浓度的变化情况，同时预设的报警装置可以给户主提供良好的环境保证。这种无线传感网络与智能家居的结合不仅提高了甲醛监测仪的工作能力，也体现了其低耗性的特点。并且该系统可以广泛应用于生活中，对构建绿色环保的低碳生活，提高人们生活质量有着良好的影响。

【参考文献】

[1]米萍珍，谢越东.低功能耗室内甲醛监测仪的设计[J].电子设计工程，2011，19（22）：19-22.

[2]戴龙彬，刘连颖.智能室内环境监测仪的设计与研究[J].科技创新导报，2012（9）：27.

[3]李天山.基于单片机的室内环境监测仪设计与实现[J].滨州学院学报，2012，28（3）：92-95.

[4]朱建博，胡胜慧，汪斌.智能化大棚的低功耗设备优化设计研究[J].科技视界，2015（27）：26-26.

[5]张素文，金峦.基于USBHOST的便携式环境参数监测仪的设计[J].电脑开发与应用，2007，20（8）：2-5.

[6]刘德新，贺小凤.基于STC12C5A32S2的甲醛检测仪设计[J].深圳信息职业学院学报，2011，9（3）.

[7]戴有旺，李增有，韦俞锋.基于ZigBee 的低功耗无线传感节点设计与实现[J].现代电子技术，2011，34（18）：121-123.

[责任编辑：杨玉洁]