基于Wi-Fi網(wǎng)絡的甲醛氣體監(jiān)控設計

李旭華

(嘉應學院 物理與光信息科技學院,廣東 梅州 514015)

甲醛(分子式：CH2O)亦稱蟻醛，是最簡單的醛類，通常情況下是一種可燃、無色及有刺激性的氣體.甲醛若在空氣中的濃度超過0.1 mg/m3,會導致眼睛和黏膜細胞的傷害.在體內(nèi)，甲醛可能導致蛋白質(zhì)不可逆的與DNA鍵結(jié).動物實驗顯示暴露在大劑量的甲醛中會使得鼻子與喉嚨致癌的機率增加.[1]世界衛(wèi)生組織確認甲醛為致畸、致癌物質(zhì),是變態(tài)反應源,長期接觸將導致基因突變.[2]目前甲醛污染問題主要集中于居室、紡織品和食品中.居室裝飾材料和家具中的膠合板、纖維板、刨花板等人造板材中含有大量以甲醛為主的脲醛樹脂,各類油漆、涂料中都含有甲醛[3].對于甲醛的檢測方法目前主要有分光光度法、電化學檢測法、傳感器法等.由于分光光度法、電化學檢測法利用化學反應實現(xiàn)，需要在專門的化學實驗室檢測，且難以實現(xiàn)長時間的在線連續(xù)監(jiān)測；所以采用半導體式VOC氣體傳感器MS1100，具有較高的靈敏度和穩(wěn)定性，能夠偵測1×10-7kg/m3以上的氣體，適用于檢測空氣中的甲醛、苯、二甲苯等多種有機揮發(fā)成分，同時具有體積小巧、價格便宜、響應速度快.

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)總體框架如圖1所示，主要包括甲醛氣體采集、單片機模/數(shù)轉(zhuǎn)換、無線網(wǎng)絡傳輸.系統(tǒng)的下位機利用傳感器采集待測氣體，得到的電壓信號送入單片機內(nèi)進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過網(wǎng)絡將字符型數(shù)據(jù)傳送給上位機.上位機PC端程序采用虛擬儀器軟件LabVIEW平臺開發(fā).虛擬儀器是在傳統(tǒng)儀器的基礎上發(fā)展而來的，完全繼承了傳統(tǒng)儀器的所有優(yōu)點，并超越了傳統(tǒng)儀器.其把傳統(tǒng)儀器的顯示和硬件數(shù)據(jù)處理引入到計算機中來顯示并進行軟件處理.這也是近年來計算機迅速發(fā)展的結(jié)果.虛擬儀器配置了多種相應的I/O接口設備進行數(shù)據(jù)采集，用不同功能的測試軟件對數(shù)據(jù)信號進行分析處理及顯示，構成一整套的虛擬測試系統(tǒng)[4].

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

圖2 傳感器測試電路及輸出電壓與濃度關系

2 硬件電路設計

2.1 VOCS傳感器電路

設計采用MS1100半導體氣敏傳感器模塊，敏感體主要是由半導體材料制成的，其中應用最為廣泛的半導體材料是金屬氧化物半導體，在氣體傳感器領域中應用最多的金屬氧化物是SnO2、ZnO、Fe2O3、WO3等.

圖2是傳感器的基本測試電路.被測氣體在半導體表面與氧發(fā)生化學反應時通常需要一定的溫度，要獲得所需要的溫度就必須通過加熱器給傳感器通電加熱.該傳感器的加熱電壓VH和電路電壓VCC共用5 V電壓.可輸出0～5 V的模擬電壓Vout，由器件手冊得到輸出電壓與待測氣體濃度的關系式，適合測試的氣體濃度范圍為0～100 ×10-6kg/m3.

2.2 傳感器電壓的采集

STC12C5A系列單片機自帶ADC功能，有8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器，速度可達250 kHz.上電復位后P1口為弱上拉口，用戶可以通過軟件設置將8路通道的任意一路設置為A/D轉(zhuǎn)換[5].單片機的參考電壓來自電源電壓VCC，可不外接參考電壓源.實際使用時萬用表量出工作電壓并記錄在單片機的EEPROM.來自傳感器模塊的采樣電壓接入單片機P1口的P1.0引腳，對模數(shù)轉(zhuǎn)換后的采樣電壓值進行中值過濾處理，剔除不合理的采樣值.通過串行通信發(fā)送到Hi-Link的RM04模塊的串口.

2.3 無線網(wǎng)絡傳輸

HLK-RM04模塊是基于通用串行接口的符合網(wǎng)絡標準的嵌入式模塊，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口、以太網(wǎng)、無線網(wǎng)(Wi-Fi)3個接口之間的轉(zhuǎn)換.通過HLK-RM04模塊，傳統(tǒng)的串口設備在不需要更改任何配置的情況下，即可通過局域網(wǎng)絡或互聯(lián)網(wǎng)傳輸自己的數(shù)據(jù)，為用戶的串口設備通過網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)提供完整快速的解決方案[6].

HLK-RM04模塊與PC的串口連接后，工作模式中選擇“無線AP模式”，網(wǎng)絡協(xié)議選擇“TCP服務器”，設定RM04模塊的網(wǎng)絡參數(shù)，調(diào)整與單片機進行串行通信的波特率、幀的格式及遠程端口.多處的氣體采集節(jié)點與各自的RM04模塊連接在一起，組成分布式無線網(wǎng)絡；將RM04模塊處于同一子網(wǎng)，在路由器的控制下，帶有WiFi功能的PC機和智能手機都可以接收到指定地址的RM04模塊發(fā)出的數(shù)據(jù).若接入互聯(lián)網(wǎng)，可實現(xiàn)遠程網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù).由于模塊與單片機之間采用串行通信，需要MAX232芯片完成TTL/RS232電平轉(zhuǎn)換.

3 軟件部分設計

3.1 下位機程序設計

下位機單片機的程序包括LCM液晶顯示模塊、ADC轉(zhuǎn)換模塊、溫濕度檢測和串行通信模塊.單片機的LCM模塊可以顯示現(xiàn)場的氣體采樣電壓、溫濕度和氣體的實時濃度；為了適應無人值守等環(huán)境要求，利用單片機的看門狗定時復位功能，保證信號電壓的采集和顯示；串行通信采用與RM04模塊相同的波特率和相同的幀格式，保證數(shù)據(jù)的正確發(fā)送和接收.

3.2 上位機程序設計

主從設計模式特別適合一對多的情況，主方發(fā)布數(shù)據(jù)，從方被動響應[7].HLK-RM04模塊與PC機之間的通信采用標準的TCP/IP協(xié)議，不同的節(jié)點通過無線網(wǎng)絡連接可直接與PC機通信.對于不同位置節(jié)點的氣體采樣，TCP/IP傳輸數(shù)據(jù)時間的各不相同.上位機程序采用主從結(jié)構，使得每個點的采集任務分別在各自的循環(huán)中實現(xiàn)，同時在前面板顯示每個采集點的數(shù)據(jù)，可以根據(jù)需要隨時切換到指定采集點，實時觀察數(shù)據(jù)曲線的變化(圖3所示).

圖3 前面板運行圖

在圖4的主循環(huán)中，采用狀態(tài)機模式控制上位機系統(tǒng)的“初始化”、“數(shù)據(jù)處理”和“退出”等狀態(tài),在“數(shù)據(jù)處理”狀態(tài)中引入事件結(jié)構，對前面板的輸入輸出控件的動作設定事件，提高程序的響應速度.

圖4 上位機主循環(huán)框圖

如圖5示，從循環(huán)采用TCP函數(shù)編寫，當“讀取TCP數(shù)據(jù)函數(shù)”以CRLF格式從網(wǎng)絡上獲取數(shù)據(jù)流，可得到RM04模塊發(fā)出的字符數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)做字符串處理得到數(shù)值型數(shù)據(jù)，用于數(shù)據(jù)處理、實時波形曲線繪制和數(shù)據(jù)監(jiān)控，同時可選擇存儲數(shù)據(jù)功能.其中信號數(shù)據(jù)儲存、信號濃度轉(zhuǎn)換和濃度報警等模塊以子VI的形式被調(diào)用.若需要增加采集節(jié)點，可在程序框圖中直接添加對應節(jié)點的從循環(huán)，所有的采集節(jié)點構成星型拓撲結(jié)構.

4 結(jié)束語

采用半導體氣敏元件檢測甲醛氣體，驅(qū)動電路簡單；利用HLK-RM04模塊進行無線網(wǎng)絡傳輸，擴大了氣體的監(jiān)控距離和范圍，可以使用支持Wi-Fi的智能設備獲取氣體數(shù)據(jù)，實時觀測氣體濃度變化.整個采集節(jié)點構成星型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構，提高系統(tǒng)的容災特性.

圖5

[1] 周公度.化學辭典[M].2版.北京：化學工業(yè)出版社，2011：316.

[2] 黃湘源,徐春秀.催化動力學測定食品中痕量甲醛[J].南昌大學學報,2003,27(1):78-81.

[3] 王爭,林永娟.室內(nèi)空氣中甲醛測定方法選擇探討[J].上海計量測試,2003,30(5):17-19.

[4] 鄭對元.精通LabVIEW虛擬儀器程序設計[M].北京：清華大學出版社，2012.

[5] 郭天祥.新概念51單片機C語言教程-入門、提高、開發(fā)、拓展全攻略[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009：285.

[6] 海凌科電子有限公司.HLK-RM04說明書[EB/OL].[2013-07-23].Shenzhen Hi-Link Electronic Co.,Ltd Http://www.hlktech.com.

[7] 陳樹學,劉萱.LabVIEW寶典[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011：396.