室内空气质量监测器

张智杰 苏雷皓

【摘 要】本设计空气质量监测器，精度高，成本低，体积小，主要来监测室内空气质量，适用于家庭，会议室，等候室和教室等。本设计的主控芯片使用德州仪器公司超低功耗的MSP430F149，使用高灵敏度的气体传感器，精确检测室内的空气质量。在不同空气质量状况下，会使用不同颜色的LED灯和蜂鸣器进行相应的提示或报警。使用WIFI模块实现空气质量监测器和上位机之间的无线数据传输，并将其联入网络，对室内空气质量监测器进行远程控制监视，更加方便实用。

【关键词】室内空气质量；无线数据传输；上位机；

一、前言

在现实生活中，室内与室外空气质量有较大区别，急需一种适用于室内的空气质量监测器，要求轻巧便捷，安装简单，功耗低等。本设计空气质量检测器能很好满足这一需求，可以准确监测室内的空气质量状况，提醒人们采用一些措施来改善室内的空气质量状况。当室内的PM2.5或液化气等可燃气体泄漏时，会产生相应报警。目前市场上的空气净化器大多采用粉尘传感器，可以检测空气中的灰尘颗粒，但精度低，且不能检测空气中的其它污染物。随着空气净化器的净化技术的升级，对空气质量监测也需要更精准、全面。

二、总体设计

1.设计任务

本设计空气质量监测器，尺寸不大于10cm*10cm*5cm，适用于家庭，会议室，等候室，教室等。一天24小时运转，可以连续记录和显示一个月或者更长的时间跨度内，室内空气质量的优劣，以数据和波动曲线两种方式记录和显示。

基本要求：

（1）具有四个级别报警或指示。三种不同色彩的发光二极管指示，绿色LED代表：空气质量优秀；黄色LED代表：空气质量良好；红色LED代表：空气质量污染，蜂鸣器报警代表：空气质量严重污染。

（2）功耗小，可保存一个月的数据（每天24小时，采样间隔为5秒）。

（3）使用液晶显示具体的空气质量数值。

发挥部分：

（1）在上位机中根据现有的检测数据绘制出空气质量变化曲线。可升级上位机功能：上位机有多功能按钮，可显示一周、一个月甚至一年的数据。

（2）使用蓝牙或WIFI模块进行无线数据传输，甚至可与国家天气预报中的空气质量状况进行实时对比，提醒用户开窗通风等。

（3）编写一个小型的手机软件，和它互传数据，更加方便实用。

2.系统总体方案的设计

本设计作品使用MSP430F149为主控芯片，有足够的64个IO口可以使用[2]。使用高灵敏度的MQ-2等气体传感器为核心元件，能精确的监测到空气质量。在不同空气质量状况下，会使用LED灯和蜂鸣器进行相应的报警。利用DS1302模块进行实际时间校准，控制整个程序运行的时序。由于此设计需要存储的数据量很大，因此使用大容量的SD卡进行存储数据（由主控芯片统一控制对SD卡读写）。再用Visual Basic编写一个人性化的上位机，形象地以数据和波动曲线的形式显示最近的空气质量信息。

为了方便观察和使用，我们用WIFI模块对监测器和上位机间的数据进行无线传输，并能接入互联网。利用1602液晶显示时间和相关空气质量状况，完全能够在没有上位机控制的情况下简单显示数据，独立工作。总体结构框图如图1所示。

三、硬件电路设计

1.DS1302时钟芯片电路

本系统需要当前正确的时间，因此需要低功耗的时钟芯片，我们选用了DS1302。MSP430F149与其采用SPI通信协议，对它进行设置、读取时间。为了防止突然断电造成系统时间错误，我们对DS1302单独供电。

2.供电电路，

单片机用3.3V供电，其他一些模块需要5V供电，所以需有3.3V和5V的电压引出。考虑到用户使用方便，我们采用5V供电器供电方式，并设有总电源开关。

3.液晶显示电路

为了方便使用和观察空气质量的数据，我们增加了1602液晶显示功能

4.SD卡模块电路

对SD卡采用SPI的读写模式，仅用四根线接到MSP430F149的IO口上，从而进行相应的控制。

四、软件设计

由于设计要求5s对空气质量状况监视一次，所以整个程序的执行需要有时序性。程序初始化完成后，MSP430F149便进入低功耗模式，以节省电能。其它程序的执行都放在中断里。

本系統程序由定时器TA0唤醒低功耗模式，然后控制系统运转，每5秒对室内空气质量监测一次，然后进行相应的LED或蜂鸣器等警示，每30分钟向SD卡写入并保存一次数据。

1.WIFI模块程序设计

WIFI模块与上位机进行无线通信时，使用TCP协议，后文中将详细介绍。我选用的WIFI模块可进行串口输出，它与主控单片机进行串口通信。在程序中我开启了MSP430F149的串口功能，在串口中断中进行相关处理。

2.DS1302模块程序设计

主控单片机MSP430F149与其采用口模拟SPI通信方式，对它进行设置、读取时间。本设计利用主控单片机的定时器，950ms左右对DS1302读取一次时间信息，以确保系统显示的时间在秒级上的正确性。任务需要每5s对空气质量检测一次，我们设定当DS1302的秒级个位数字为0和5时，对空气质量检测一次，可达到设计要求。

若发现DS1302的时间信息不准确，可使用上位机发送相关命令设置时间，或自动设置和网络上的时间一致。

3.SD卡模块程序设计

本设计采用以扇区为单位对SD卡进行操作]。SD卡的每个扇区有512个字节，根据本文理论分析与计算部分可知，每30分钟空气质量信息的数据为360个字节。为了便于以后对室内空气质量的分析，在向SD卡写入数据之前，假如当前的时间等信息（约8个字节的数据），考虑到程序运行速率和对SD卡的有效利用，我们决定先将30分钟的数据存入一个数组，然后使用写单个扇区的模式将数据写入SD卡，即每30分钟向SD卡写入一次。

4.上位机通讯

利用Visual Basic（简称VB）为空气质量监测器编写一个“定制版”上位机。主要使用VB中的Winsock控件实现和空气质量监测器的无线连接，并将其接入网络，进行相关控制。

五、系统调试

基本模块调节完成并组合后，本设计主要三个部分需要进行测试和分析：

（1）在不同的空气质量状况下，会不会产生相应的指示和报警；

（2）对SD卡写入并读出的数据是否正确；

（3）通过WIFI进行无线数据传输的数据是否正确。

（4）整体调试

参考文献：

[1] Erick Frederico Kill Aguiar，Henrique Llacer Roig，Luís Henrique Mancini，Eduardo Neiva Caetano Botelho de Carvalho.Low-Cost Sensors Calibration for Monitoring Air Quality in the Federal District-Brazil[J].Journal of Environmental Protection，2015，6：173-189

[2] 朱明.MSP430单片机C应用从入门到精通[R].大连理工大学，2007.8：36-52

[3] 童诗白，华成英.模拟电子技术基础（第四版）[M].高等教育出版社，2006：96-118

[4] 阎石.数字电子技术基础（第四版）[M].高等教育出版社，2006：20-64

作者简介：

张智杰（1970.12-），男，汉族，山东济南，实验中心主任，党员，副教授，硕士，主要从事电气自动化教学与实验；苏雷皓（1992.11-）男，汉，山东临沂，硕士，工程师，中汇信息技术（上海）有限公司从事软件设计工作。

（作者单位：济南大学自动化与电气工程学院

中汇信息技术（上海）有限公司）