基于数据分析的甲醛与PM2.5无线监控与预测系统

赵丽 郑艳芳 田会峰 张宝芳 王俊杰

摘  要： 针对室内环境的甲醛和PM2.5的浓度测量与预测的需求，设计基于MEGA2560微控制器和ZigBee的无线监控预测系统。该系统基于数据分析，采用ZigBee、蓝牙等多种无线通信技术通过节点对甲醛、PM2.5进行污染监测，并发送数据到主机。主机对各个节点的数据进行分析，并在人机交互界面上能够显示各个节点的实时污染状态、历史数据、趋势曲线、工作状态等。同时能够在污染物浓度超过阈值时进行报警，通过算法对甲醛、PM2.5浓度进行趋势分析，算出其达到正常值的时间，再以液晶屏显示、语言播报形式提示用户。此外，还能够将以上传至手机上，实现远程监控。实验结果表明，该系统能够实时地监控各个节点的工作运行情况，可以满足室内环境监测的要求。

关键词： 数据分析; 污染监测; ZigBee通信; 人机交互界面; 趋势分析; 远程监控

中图分类号： TN921?34; TP391.8                 文献标识码： A                      文章编号： 1004?373X（2019）16?0053?05

0  引  言

随着我国环保理念的提出，人们在关注大气污染的同时也开始关注室内空气的污染。在室内污染中，甲醛和PM2.5是主要的污染源。研究表明，甲醛存在强烈的致癌和促癌作用。有文献报道：甲醛对人体健康的影响主要表现在嗅觉异常、刺激、过敏、肺功能异常、肝功能异常和免疫功能异常等方面[1]。新装修的房间甲醛含量较高，是众多疾病的主要诱因。PM2.5指环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5 μm的颗粒物，空气中含量越高，说明空气污染越严重。与较粗颗粒物相比，PM2.5粒径小、表面积大、活性强、易附带有毒有害物质、停留时间长、输送距离远，对人体健康和大气环境质量有非常大的影响。PM2.5可引起人群日总死亡率升高，影响呼吸系统、免疫系统、心血管与神经系统以及生殖系统功能，造成相关疾病的发病率及死亡率升高[2]。目前，世界主要发达国家以及亚洲的泰国和印度等国家都已将PM2.5列入空气质量标准。因此，在保护空气环境的同时，研究一种可以实时、灵敏、快速、直观地监测甲醛及PM2.5的系统十分重要。

1  系统总体设计方案

本系统以单片机为控制核心，实现对甲醛、PM2.5监测的基本控制功能。系统主要功能包括：数据采集、无线通信、数据分析、人机交互、趋势预测及语音播报等功能。各个节点实时采集甲醛、PM2.5数值并通过ZigBee与主机通信，主机对节点信息进行处理，显示浓度信息并绘制预测曲线，当超出标准值时报警。系统结构框图如图1所示。

2  系统硬件设计

系统由节点与主机两部分组成，节点负责采集各个点的甲醛、PM2.5数据并通过ZigBee上传给主机，当数据超出标准值时，节点会产生报警信息;主机接收各个节点的数据并通过触摸屏显示控制，并可以实时播报所选节点的信息，也可以用手机通过蓝牙控制主机。节点与主机的系统框图如图2和图3所示。

2.1  ZigBee通信模块设计

ZigBee是基于IEEE 802.15.4标准的低功耗个域网协议，而ZigBee通信技术是一种短距离、低功耗的无线组网通信技术，可用于自动控制和远程控制领域。

本文采用的是远程控制这一特点，ZigBee通信作为电源模块和上位机之间的连接桥，其可实现无线透明高速传输，有效地保证了整个系统的快速反应。本系统使用的德州仪器公司的CC2530 ZigBee芯片。系统中传感器检测点有多个，所以必须实现多点间通信。每个传感器模块分别对应一个ZigBee信号发送，主机设置一个ZigBee信号接收模块。CC2530芯片原理图如图4所示。

2.2  JQ6500语音模块设计

JQ6500是一款提供串口的MP3芯片，它集成了MP3和WMV硬解码。同时软件支持TF卡驱动，支持电脑直接更新SPI内容的闪存SPI FLASH的内容，支持FAT16，FAT32文件系统。该芯片的最大优点是可以灵活替代 SPI FLASH中的语音内容，避免需要安装主机的语音芯片替代语音的麻烦，使产品开发和生产变得简单易行。语音功放原理和语音芯片接口原理图如图5和图6所示。

2.3  甲醛传感器模块设计

甲醛检测仪采用英国达特（DART）公司生产的甲醛传感器。该传感器测量精度高、响应速度快、功耗低、抗干扰能力强。这是一种双电极电化学传感器，由扩散原理实现，无需外部采样硬件。当存在甲醛气体时，将会有非常小的直流产生;传感器本身不需要电源，但产生的电流需要外部数据采集才能将其转换为可读信号，甲醛传感器的原理图如图7所示。

2.4  PM2.5傳感器模块设计

夏普（SHARP）光学灰尘传感器（GP2Y1010AU0F）在检测香烟烟雾等非常细小的颗粒方面特别有效，是一种常见的空气净化系统。该装置中，红外发光二极管和光电晶体管对角排列，使其能够检测到空气中的灰尘反射光。检测原理：传感器中心有一个孔让空气自由流动，定向发出LED光，并通过检测空气中灰尘折射后的光线来确定灰尘的含量，夏普PM2.5粉尘传感器电路图如图8所示。

3  系统软件设计

3.1  主程序设计

整个设计系统要完成的主要任务是驱动传感器，采集传感器输出的电压值，通过单片机的实时计算，在LCD上显示出测量的甲醛、PM2.5浓度值，通过拟合关系，绘出趋势图。主机运行流程如图9所示，串口屏幕显示欢迎界面，点击该界面进入主菜单，分别有概览和说明，点入概览后显示3个节点详情，判断是否按下节点，如果按下则显示该节点的详情信息，并判断是否按下该节点的灯开关按钮，进行开关灯操作。

3.2  节点软件主程序设计

节点进行PM2.5、甲醛浓度的检测，并对检测结果滤波，同时进行指令判断，如果有开关灯指令就进行开关灯操作，如果有上传指令则上传测试结果。节点流程图如图10所示。

3.3  ZigBee组网程序设计

系统中传感器检测点有多个，所以必须实现多点间通信。每个传感器模块分别对应一个ZigBee信号发送，主机设置一个ZigBee信号接收模块。此外，必须考虑防止数据包在空气中的传输时相互碰撞，为了建立可靠的无线传输通路，考虑采用频分多址（FDMA）。FDMA技術将可用的频率带宽拆分为具有较窄带宽的子信道，这样每个子信道均独立于其他子信道，从而可被分配给单个发送器，组网流程图如图11所示。

3.4  数字滤波

最终采用数字滤波算法来解决PM2.5的干扰问题。这种滤波方式适用于实时性较强的系统，可以加快数据处理的速度，可以有效抑制脉冲干扰和周期性干扰，提高滤波算法的灵敏度，应用该种算法使PM2.5传感器的测试结果趋于正常。

滑动平均滤波器是一种有限脉冲滤波器，其是通过平均滤波改进而得来。它是通过一个长度为N的滑动窗，沿离散时间不断向前滑动，每隔一个采样周期向前滑动一次。设滑动时窗的采样宽度为T，采样点数为N，并设置N个存放采样数据的缓冲区，为反应信号的实时变化，按计数值[k（k=0，1，2，…，N-1）]依次更新并存放当前采样数据[i（k）]，即当采样第K个点时，用当前采样周期的新信息覆盖前一个采样周期的同位置信息，每次采样新数据只覆盖缓冲区中的一个旧数据，其他N-1个数据无变化，由此得出滑动平均值滤波器的递推公式为：

[i（k）=i（k-1）+（i（k）-i（k-N））N]

式中：[i（k）]为采样值;[i（k）]为输入[i（k）]的移动平均值;N为数据缓冲器长度[3]。

该滤波方法既能有效地抑制脉冲干扰和周期性干扰，又能提高滤波算法的灵敏度。

4  系统运行及改进

经过不断调试，本系统运行良好，能够迅速测出并预算出甲醛和PM2.5曲线，最终得到甲醛和PM2.5的趋势图如图12和图13所示。

本系统尚存在一些不足，后期需在以下几个方面不断完善：

1） 利用云服务，开发WiFi客户端，实现全平台适配;

2） 改进算法，提高预测的精度。

5  结  语

针对室内环境的甲醛和PM2.5的浓度测量与预测的需求，设计了基于MEGA2560微控制器和ZigBee的无线监控预测系统。实验结果表明，该系统能够实时监控各个节点的工作运行情况，可以满足室内环境监测的要求。本系统克服了市面上已有产品的没有历史数据记录、没有分析功能、没有污染趋势计算以及不能对环境污染物的趋势进行分析等弊端，实现了远程监控、趋势分析、历史报表等高级功能，符合智能化、远程化、人性化的物联网发展趋势。

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