分布式无线甲醛监控系统研制

李 彬，薛 梁，崔 鹏

（吉林建筑大学 电气与计算机学院，吉林 长春 130000）

0 引言

近年来，随着生活质量的不断提高，人们对居家办公场所的舒适性及环境质量的要求也更高。然而目前许多新建筑物如住宅区、写字楼中甲醛问题未被重视，导致甲醛的室内污染逐渐增多。长时间吸入高浓度甲醛后会出现呼吸道的严重刺激和水肿、眼刺痛、头痛，甚至会增加致癌概率。本文将Cortex⁃M3 内核的STM32系列单片机作为主控芯片，设计一种针对室内的长时间甲醛监测系统。该系统具有时间长、抗干扰能力强、成本低、可同时测量多个房间的优点，数据可远程监测，具有较高的实用价值。

1 系统总体设计

甲醛监测系统主要分为数据采集模块和信号处理模块，方案框图如图1 所示。

图1 系统总体框架设计

系统的工作流程为：STM32 芯片通过串口接收ZE08 甲醛模组采集的室内甲醛数据，并通过ESP8266无线通信模块将数据发送给接收端，接收端所使用的MCU 为IAP15W4K61S4；数据经过处理后通过串口输送到上位机，可在计算机上实时监控，也能够通过界面发布功能远程监控系统。系统可以接入最多3 个节点，实现对室内多个房间的实时监测。

2 硬件设计

硬件设计分为数据接收节点和数据发送节点两个部分。传感器的功能框图如图2 所示。其中包含有1 个数据接收端、3 个数据采集端，每个接收端包含有1 个ZE08 甲醛模块以及ESP8266 无线通信模块。

图2 系统硬件框架设计

2.1 数据接收节点

已开发的电路板如图3 所示，该系统包含一块W25Q32 存储芯片，用于暂时存储数据。该芯片具有32 MB 的串行闪存以及4 KB 的扇区。系统通过低压电源接口DC⁃005 提供5 V 电压，还可以利用Micro⁃A 接口与计算机连接，由计算机提供5 V 的电压。5 V 的电压通过AMS117 芯片转化为3.3 V 的电压来维持芯片的正常工作。电路板是通过USB 接口利用CH340G 进行信号处理，实现USB 转串口从而与计算机进行通信。ESP8266 工作在AP 模式供采集模块接入。PCB 板的布局如图3b）所示，左侧与下侧引出大部分引脚，包括串口2 和串口3，芯片正上方的按键控制整个电路的开关。

图3 数据接收节点

2.2 数据发送节点

图4 为传感器接收系统中的数据发送端，它由一个无线模块（可以容纳2 个传感器的接口）和基本的单片机电路构成。基本的单片机电路采用32 位ARM 单片机STM32F103RCT6 作为主控芯片，将预先写好的程序烧录到芯片后，可以将传感器采集的数据预处理再发送到无线模块进行传输，且可以同时接收2 个传感器的数据。主电路采用CH340N 作为串行USB 芯片，不需要焊接晶振，更加方便快捷。电路的稳压芯片由低压差电压调节器LM1117 担任，板上的无线模块采用ESP8266，采用串口通信，工作频率为2.4 GHz。通过本地串口烧录的程序采用AT 指令的方式配置，同时具有断电记忆功能，且能断电储存ESP8266 芯片的信息。发送端使用Station 模式以便接入发送数据给接收端。PCB 板的布局如图4b）所示，芯片下方是由串口2 与串口3 组成的传感器插口，左上方是无线模块的接口，右上方是JTCK的接口，可用来与计算机通信。

图4 数据发送节点

采集模块所使用的甲醛传感器型号为ZE08⁃CHO。它是一个通用型、小型化的模组，利用电化学原理对空气中的CHO 进行探测，工作电压为3.7～5.5 V，量程为0～5 ppm，分辨率小于0.01 ppm，具有较好的稳定性。采集到的数据传输到计算机后，可通过已建立的LabVIEW 界面显示出来。

3 上位机的实现

系统的上位机采用NI 公司图形化的编程语言LabVIEW 搭建。LabVIEW 具有开发周期短、可移植性强和稳定性好的优点，缩减了大量的底层开发周期和冗杂的编程过程。上位机软件主要是通过串口与数据接收节点通信，通过调用VISA 串口VI 读取下位机测量的数据，并将数据分段处理后通过波形图标的方式显示在界面上。上位机在没有互联网的情况下，可以现场实时监控数据；在连接到互联网时也可以通过组态软件Web 发布工具，使得远端监控PC 通过IE 客户端远程实时监控数据。

开发的LabVIEW 前面板如图5 所示，主要包括串口功能设置、当前各传感器甲醛浓度以及甲醛浓度曲线三部分，可以同时检测3 个传感器。后面板的程序框图中主要由UART 通信模块、显示子VI、数据处理部分等组成。3 个传感器节点可以独立工作，互不干扰，因此可以将它们放置在不同位置进行采集工作。采集到的数据直观地显示在右侧的3 个窗口中。

图5 上位机界面

4 实验设计与分析

室内甲醛监控系统对数据的采集与接收需满足较高的实时性要求，同时，无线模块的传输对数据的稳定性有很大的影响。考虑到室内复杂的地理情况，共设置4 组实验来验证系统的可靠性，其中前2 组实验验证无线传输的可靠性，后2 组实验验证系统运行的可靠性。

4.1 高度对RSSI 值的影响

考虑到室内环境复杂，本文设计不同高度对RSSI值的影响实验。测试3 组不同的数据，高度从0.5～1.5 m递增，室内最远距离定为10 m。实验结果如图6 所示。

由图6 可知，随着距离的增加，RSSI 值不断减小，在10 m 处达到最小。高度越高所提供的RSSI 值越大，因此在室内测量时应尽量在一定高度下采集，以保证长距离无线传输时数据的稳定性。

图6 不同高度对RSSI 值的影响

4.2 隔墙时的RSSI 值

考虑到要采集多处室内的甲醛数据，设计间隔一堵墙时对RSSI 值影响的实验。实验测量区间为20 m，每间隔2 m 采集一次数据，并用没有墙时的RSSI 值作为对照组。实验结果如图7所示。从图7可知，中间有障碍物阻拦时RSSI 值会变小，在20 m 处时已经降到-75 dBm。因此，在长距离传输时应尽量避免隔过多的墙，以保证无线传输数据的稳定性。

图7 有障碍物时对RSSI 值的影响

4.3 系统的稳定性

为验证系统的稳定性，实验在夜间进行，选取一个密闭的教室，共采集10 min 的数据，结果如图8 所示。由图8 可知，甲醛气体的浓度维持在13～16 ppb 之间，未出现较剧烈的波动。图8 的结果验证了系统的稳定性，为长时间测量打下了良好的基础。

图8 10 min 甲醛浓度曲线

4.4 系统可靠性测试

为验证系统长时间工作的可靠性，选择在新装修的实验室进行测试，时间从早上8 时采集至次日早上8 时，其24 h 的检测数据如图9 所示。由图9 可知，在新装修的密闭实验室内，甲醛浓度不断上升，在正午时已超出国家标准并不断缓慢增长，次日清晨时达到最高峰并趋于平缓。次日7 时实验室有人员进入，并打开窗户通风，室内的甲醛浓度迅速下降，并在7：30 下降到最低点。由此可知，人员不能长时间待在新装修的密闭室内，长时间的密闭环境会造成甲醛的积累，危害人的身体健康。综上，在新装修的室内必须保持良好的通风环境来降低甲醛的危害。

图9 24 h 甲醛浓度曲线

5 结 语

居住、办公环境的好坏直接影响人们的身体健康，本文基于STM32 单片机、物联网技术以及无线通信技术，实现了对室内环境的实时监测。实验证明本文系统可靠性较高，具有低功耗、易携带、低成本的特点，且具有远程监控的功能，适用于各类室内甲醛监测的场合，具有很好的实用价值。