基于单片机的家居环境监测器设计研究

摘" 要：该文提出一套基于单片机的家居环境监测器的设计方案。以STC89C516单片机作为主控模块，使用霍尔传感器、盖革计数管和甲醛传感器作为数据采集模块，实时获取室内电磁辐射强度、电离辐射剂量率和甲醛浓度的监测数据，并通过GPRS通信模块，将3项监测数据以短信方式向房主手机定时发送。初步测试中，在系统程序指定手机上成功接收到3项监测数据，均值分别为4.61 mT、1.037 2 mSv/y和0.049 9 mg/m3。测试结果表明，系统总体设计合理、各功能模块运行稳定，实现多参数实时监测的预期目标，可应用于家居环境的监测。

关键词：单片机；通用分组无线服务；环境监测；系统设计；监测器

中图分类号：TP368.1" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2095-2945（2024）36-0038-05

Abstract： Based on Microcontroller Unit technology， a design scheme of Home Environment monitor was proposed. In this system， STC89C516 MCU was used as the main control module. Hall sensor， Geiger counter tube and formaldehyde sensor were used as data acquisition modules to obtain electromagnetic radiation intensity， ionizing radiation dose rate and indoor formaldehyde concentration data in real time. GPRS communication module was used to send the real-time monitoring data to homeowner regularly by mobile short message. In the test experiments， short messages of the monitoring data were successfully received by the designated mobile telephone in the computer program. The average values of electromagnetic radiation intensity， ionizing radiation dose rate and indoor formaldehyde concentration were 4.61 mT， 1.037 2 mSv/y and 0.049 9 mg/m3. The test results show that the design schemeis reasonable， operation of each functional module is stable and expected function of real-time multi-parameter monitoring is achieved. This system can be applied to the home environment monitoring.

Keywords： Microcontroller Unit（MCU）; General Packet Radio Service; environment monitoring; system design; monitor

近年来，随着全社会环保意识的日益增强，人们对于日常家居环境、特别是装修以后居室内的环境健康越来越重视。目前在市场上销售的针对家居环境参数监测的产品很少，相关研究工作大多是监测温度、湿度和光照强度等与居室生活舒适度相关的参数[1-3]，而对于严重影响人体生理健康的电磁辐射[4]、甲醛浓度[5]和放射性污染[6-7]等环境参数的关注较少。同时，相关研究工作在构建监测系统网络的技术上较复杂[1-3]，运行稳定性不高，应用推广的成本支出较大。

本文基于单片机（MCU）技术，开展了具有多参数实时监测功能的复合型家居环境监测器的设计研究工作。系统以严重影响家居环境健康的室内电磁辐射强度、电离辐射剂量率和甲醛浓度等3项指标作为监测对象，并且应用通用分组无线服务（GPRS）技术[8]，以定时发送的方式，将监测数据以短信形式发送到房主手机。在目前家居环境监测产品的销售市场中，尚无具备上述功能的同类产品。因此，本项目的设计研究工作具有一定的市场应用推广价值。

1" 系统总体设计

监测器的总体结构是由数据采集单元、主控单元及远程传输单元等3个主要功能模块组成，如图1所示。其中，数据采集单元包括了电磁辐射探测器、电离辐射探测器和甲醛探测器，分别用于测量居室内的电磁辐射强度、电离辐射剂量率和甲醛浓度。远程传输单元通过GPRS模块实现将监测数据通过短信方式发送到房主的手机。控制单元是系统的核心部件，采用STC89C516单片机[9-10]来实现主要控制功能：①控制各个探测器定时采集和上传监测数据；②控制GPRS模块，向指定手机发送含监测数据的短信。

2" 硬件设计

2.1" 主控单元

系统选用STC公司的89C516型单片机作为控制单元部件，该单片机具有64 KB的 Flash存储器和128字节随机存取存储器（RAM），可实现在线系统串口编程（In System Programmable，ISP）功能。它的中央处理器芯片具有40个引脚，其中有32个I/O口可供用户使用[11]，如图2所示。通过单片机芯片的通用输入输出引脚、中断功能引脚和串行通信功能引脚，分别与数据采集单元中的各个探测器及GPRS模块相连接，实现单片机对于数据采集单元和远程传输单元的运行控制。

根据系统总体设计方案，GPRS模块和数据采集单元中的各个探测器，与单片机芯片引脚的连接配置如下：①单片机芯片中具有串口功能的2个引脚P3.0和P3.1连接GPRS模块，通过串口方式向GPRS模块传输数据，并控制GPRS模块对外发送监测数据短信；②单片机具有中断功能的2个引脚P3.2和P3.3，分别连接电离辐射探测器和甲醛探测器；③使用单片机的通用I/O引脚P3.7通过A/D转换模块连接电磁辐射探测器。

2.2" 数据采集单元

2.2.1" 电磁辐射探测器的选型分析

电磁辐射探测器主要针对磁场强度作监测，选用线性型霍尔传感器[12]进行数据采集。线性型霍尔传感器是将霍尔元件、放大器、稳压器和温度补偿电路[13]等制作在一块芯片上的集成电路器件。其中，霍尔元件可将磁场强度信号转换成模拟电压信号，即

U=BIRH/d ，" （1）

式中：B为磁感应强度；RH为霍尔系数；I为霍尔元件中的电流强度；d为霍尔元件的厚度。霍尔系数的取值决定于制作霍尔元件半导体材料的属性。

霍尔元件产生的模拟电压信号较微弱，须经放大整形处理后才能输出[12]。进行测量之前，需要先标定出磁场强度为零时的基准电压，测量时再根据实际输出电压与基准电压的比值，来获取探测到的磁场强度值。系统选用线性型霍尔传感器产品，设定2.5 V为基准电压且设定输出电压每变化14 mV，对应于磁场强度变化1 mT。将单片机芯片的P3.7引脚通过A/D转模块与传感器的模拟电压信号输出接口连接，即可实现单片机对于传感器输出电压信号的读取，再通过单片机中程序代码的运行，换算得出所监测到的磁场强度值。

2.2.2" 电离辐射探测器的选型分析

电离辐射信号的采集，选用盖革计数管[14]。在盖革计数管的阴极和阳极之间，加上适当工作电压后可形成柱状对称电场。当环境中的辐射射线粒子进入盖革计数管以后，管内的惰性气体被电离。负离子由阳极吸引并移向阳极，与其他气体分子碰撞后产生多个次级电子，快到阳极时次级电子急剧倍增产生雪崩现象，发生放电并输出脉冲信号。入射辐射射线的粒子束强度越强，单位时间内输出的脉冲个数就越多。盖革计数管在使用之前，通常需要先用放射性活度已知的辐射源做标定，确定出单位时间内的脉冲计数与辐射剂量率之间的换算函数。

系统所选用的盖革计数管，经过标定以后，其换算函数如下

17nCPM=1 mSv/y" "， （2）

式中：nCPM表示盖革计数管每分钟的脉冲计数；mSv/y是辐射剂量率的一种计量单位，它表示1微希沃特每年。根据公式（2），将盖革计数管每分钟计数率的数值，除以换算系数17，即可换算出以mSv/y为计量单位的辐射剂量率的数值。

盖革计数管输出的初始脉冲信号，不能直接被单片机读取识别，需经过放大成形电路处理形成方波脉冲信号以后，才能够输入到单片机进行准确地脉冲计数，如图3所示。通过与具有中断功能的单片机芯片引脚P3.2连接，方波脉冲信号输入到单片机，进行脉冲计数和脉冲计数与辐射剂量率的换算。

2.2.3" 甲醛探测器的选型分析

甲醛气体监测选用的是基于电化学原理[15]工作的甲醛传感器。电化学型甲醛传感器的核心模块是由膜电极和电解液封装而成，甲醛气体通过与电解液发生反应，将电解液分解成阴阳带电离子后，在膜电极上以电信号的形式输出，通过检测输出电信号的强度，即可获取所监测的甲醛气体浓度值。与其他检测方式相比，电化学传感器具有抗干扰能力强、灵敏度高、性能稳定等优点[16]。

本系统所选用的甲醛传感器，在其内部结构中已集成了数据处理电路，具有数字信号输出功能，将甲醛传感器数据输出管脚与单片机具有中断功能的P3.3引脚连接，即可获取甲醛传感器的输出数据。

2.3" 远程传输单元

单片机在获取监测数据以后，可以控制GPRS模块向指定号码的手机远程发送数据。GPRS模块选用SIMCom公司生产的SIM900A型GPRS模块产品[17]，其芯片引脚如图4所示。该款产品内嵌TCP/IP协议，采用通用异步收发传输（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）通信技术实现数据传输。同时，该产品还支持手机SIM卡和AT指令集，可使用AT指令控制SIM900A模块接收用户指令并发送终端数据包。

系统使用单片机芯片的P3.0和P3.1引脚，分别连接GPRS模块的TXD_O和RXD_I引脚，通过P3.1引脚向GPRS模块发送字节型的控制指令和监测数据，实现两者之间的异步串行通信。

3" 软件设计

系统的主程序流程如图5所示，系统启动以后，首先是各个探测器和GPRS模块的初始化，然后开始执行主程序循环。在主程序循环中，首先是单片机向各个探测器发送测量指令，各个探测器开始测量，同时计时器开始计时。

各个探测器将监测到的数据返回给单片机处理，并保存在单片机存储器的数组中，然后单片机执行判断语句，将监测数据与预先设定监测阈值作比较。如果实测数值超标，就调用执行GPRS模块子程序；不超标就继续执行下一条判断语句，比较计时器的计时时间是否达到预先设定的定时时间，若达到定时时间，也将调用GPRS模块子程序，若没有达到定时时间，就返回执行主程序循环。

GPRS模块子程序的功能是启动GPRS模块进行数据传输，向系统中已经预设号码的手机发送短信。若实测数值小于阈值且监测计时小于定时时间，就不调用GPRS模块子程序，再次执行主程序循环，通过程序循环来实现环境参数的实时动态监测。

4" 测试实验与分析

在完成系统软硬件设计及各个传感器选型后，将单片机、各探测器单元模块和GPRS模块等硬件部件进行接线焊接和组装，构成了一套实验测试系统，以验证系统设计方案的可行性和可靠性。测试开始之前，已将中国移动通信集团有限公司的SIM卡装入GPRS模块的卡槽内，并在GPRS模块子程序代码中预置了接收监测数据手机的号码。

测试分为2个环节进行。在第一个环节中，将主程序中各个探测器的监测阈值均设置为零，用以测试系统在监测数据超标时的运行情况；在第二个环节中，将主程序中各个探测器的监测阈值都设定为一个较大值，测试系统的定时发送功能。在上述2项测试中，GPRS子程序均可正常运行，在手机端都成功接收到了监测数据。

表1是在定时发送功能测试环节中接收到的一组数据。测试结果表明，系统各主要功能模块，均可正常协同工作，初步实现了开展多参数实时监测的设计要求。

经过计算，表1中所记录的甲醛浓度测量均值为0.049 9 mg/m3，小于GB/T 18883—2002《室内空气质量标准》[18]中规定的室内空气甲醛浓度的标准值0.1 mg/m3；辐射剂量率的测量均值为1.037 2 mSv/y与天然辐射本底水平[19]相当，且小于GB 18871—2002《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》[20]中规定的剂量率限值，表明这2项测试数据的可靠性和有效性。磁场强度数据均值为4.61 mT，与现行GB 8702—2014《电磁环境控制值》国家标准[21]中规定的控制限值相比，有一定超标。初步分析原因，主要有以下2个方面。

交变电磁场是一种三维矢量场，霍尔传感器中霍尔元件放置的方位不同，会对测量数据的精确度产生一定影响。为此，下一步将考虑采用多个霍尔传感器组成三维探测阵列的方法来加以解决。

系统选用的霍尔传感器，在测量交变电磁场时，有一定的局限性，对于不同频率范围的电磁场，霍尔元件产生了频率响应[22]，影响了测量的精度。因此，需要针对霍尔传感器的信号获取电路，做进一步的优化和改进。

5" 结论

本文介绍了一种复合型家居环境监测器的设计和研究工作。在设计中，使用单片机控制多个传感器及功能部件的协同工作，利用比较成熟的GPRS技术，通过单片机驱动GPRS无线通信模块，实现了多个监测参数的定时远程传输。初步测试实验结果表明，系统整体运行稳定，基本达到了设计要求，可以满足对家居环境开展多参数实时监测的功能需求。并且，系统整体在技术实现上较为简单，总体造价较低，安装和使用也较为简便，因此具有一定应用价值。

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