室內(nèi)空氣采集系統(tǒng)建立及Matlab數(shù)據(jù)處理

薩良兵 劉華

摘 要：設(shè)計了一個基于Arduino Mega 2560為主控芯片、以MQ-4甲烷傳感器、MQ-7一氧化碳傳感器、MQ-137氨氣傳感器、

MH-Z14二氧化碳氣體傳感器和DHT11溫濕度傳感器為數(shù)據(jù)采集模塊的室內(nèi)空氣采集系統(tǒng)平臺。該系統(tǒng)可以通過A/D、D/A轉(zhuǎn)換和串口實時讀取空氣中氣體濃度，并能與上位機中的Matlab實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋Ｍㄟ^實驗室測試和調(diào)整，較好地實現(xiàn)了預(yù)期功能。

關(guān)鍵詞：Arduino；氣體傳感器；Matlab

中圖分類號：TP274+.2 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）26-0051-03

Abstract： An indoor air acquisition system platform based on Arduino Mega 2560 is designed， in which MQ-4 methane sensor， MQ-7 carbon monoxide sensor， MQ-137 ammonia sensor， MH-Z14 carbon dioxide sensor and DHT11 temperature and humidity sensor are used as data acquisition modules. The system can read the gas concentration in the air in real time through A/D， D/A conversion and serial port， and can transmit data with Matlab in the host computer. Through the laboratory test and adjustment， the expected function is achieved.

Keywords： Arduino； gas sensor； Matlab

室內(nèi)空氣采集[1]，是指對室內(nèi)某些氣體含量進行檢測并采集，直接反映了室內(nèi)空氣質(zhì)量情況，也體現(xiàn)了空氣中污染物濃度的高低。根據(jù)室內(nèi)空氣質(zhì)量標準（GB/T18883-2002）[2]，室內(nèi)空氣質(zhì)量參數(shù)是指室內(nèi)空氣中與人體健康有關(guān)的物理、化學、生物和放射性參數(shù)。

美國估計因室內(nèi)空氣質(zhì)量惡化所造成的損失每年為590億美元[3]。故出于人體健康安全角度考慮，室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測具有立竿見影的效果，即可以讓人們隨時清楚的知道室內(nèi)空氣污染物的濃度，采取相應(yīng)的防范措施。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)邏輯可分為三部分，總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1，整體實物圖如圖2：

讀取傳感器數(shù)據(jù)：根據(jù)每種傳感器輸出的數(shù)據(jù)類型，利用A/D、PWM波將數(shù)據(jù)采集到核心控制器。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：將控制器所讀取到的數(shù)據(jù)經(jīng)過相應(yīng)的D/A和數(shù)學公式轉(zhuǎn)換成實際的氣體濃度模擬量。

數(shù)據(jù)傳輸：控制器和上位機中Matlab編寫相應(yīng)的程

序，通過串口實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，將數(shù)據(jù)保存到Excel中。

2 傳感器

2.1 MQ系列氣體傳感器

MQ-4甲烷傳感器、MQ-7一氧化碳傳感器和MQ-137氨氣傳感器等MQ系列采用的氣敏材料都是二氧化錫（SnO2），因為其電導(dǎo)率較低。采用簡單電路就能把由于氣體濃度的變化導(dǎo)致電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號輸出[4]。

由模擬信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)濃度如公式（1）-（3）：

2.2 溫濕度傳感器

DHT11（Digital Humidity Temperature）是能夠檢測到溫度和濕度的數(shù)字信號輸出的傳感器，它內(nèi)部含有對數(shù)據(jù)校準的數(shù)字信號。傳感器內(nèi)部包括一個NTC測溫元件和一個電阻式感濕元件，并和一個8位高性能的單片機相連接。

2.3 二氧化碳傳感器

MH-Z14二氧化碳氣體傳感器（以下簡稱MH-Z14傳感器）利用NDIR（非色散紅外）原理對空氣中的CO2進行檢測。它不僅體積小，而且還非常的智能通用，提供3種不同方式的輸出信號（模擬電壓、UART和PWM波），內(nèi)置溫度補償。它還具有很好的選擇性，對氧氣無依賴，壽命長。

MH-Z14傳感器的PWM波輸出的整個周期為1004ms，周期起始段為高電平輸出2ms，周期結(jié)束段為低電平輸出2ms。PWM波輸出見圖10。

PWM轉(zhuǎn)換成濃度如公式（4）：

3 系統(tǒng)調(diào)試

3.1 軟件設(shè)計

單片機部分，初始化設(shè)置波特率和引腳等，接著主程序讀取傳感器數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換，最后將實際數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱?，供Matlab讀取，等待一分鐘進行下一次的數(shù)據(jù)讀取。

上位機部分，將傳輸?shù)酱诘臄?shù)據(jù)保存在Matlab的數(shù)組當中，再將數(shù)據(jù)保存在Excel表中。

3.2 數(shù)據(jù)采集

各個傳感器與Mega 2560的接法和輸出的信號形式等如表1所示：

系統(tǒng)調(diào)試成功后，結(jié)果如圖12所示。

由圖12可知當前甲烷濃度為975.68ppm，一氧化碳濃度為168.22ppm，氨氣濃度為41.09ppm，二氧化碳濃度為545.45ppm，溫度為24攝氏度，濕度為18RH。

4 Matlab數(shù)據(jù)處理

4.1 數(shù)據(jù)歸一化

系統(tǒng)連續(xù)工18個小時，記為第一次數(shù)據(jù)采集，原始數(shù)據(jù)如圖13所示。

當數(shù)據(jù)采集完成后，由于數(shù)據(jù)中各種參數(shù)之間的大小范圍或單位都不相同，在作圖時就會導(dǎo)致數(shù)值較大的數(shù)據(jù)掩蓋了數(shù)值較小的數(shù)據(jù)所發(fā)展的趨勢，故首先要對數(shù)據(jù)歸一化處理。選用mapminmax（）歸一化函數(shù)，它是Matlab軟件中自帶的函數(shù)，它能按照一種映射方法將數(shù)據(jù)歸一化到[-1，1]之間，并且不改變原數(shù)據(jù)的規(guī)律。

利用Matlab將數(shù)據(jù)歸一化后如圖14。

4.2 數(shù)據(jù)平滑化

由圖13可以看出，只有數(shù)值較大的CH4和CO2的趨勢較為明顯，數(shù)值較小的溫度和濕度變化趨勢幾乎沒有。而圖14是經(jīng)過歸一化處理后的數(shù)據(jù)，就能夠很明顯的看出每種參數(shù)的變化趨勢，但是由于數(shù)據(jù)存在波動問題，因此還要對數(shù)據(jù)平滑化處理。

在Matlab中數(shù)據(jù)的平滑函數(shù)用的是Z=smooth（Y，pan，method）函數(shù)。對于method有moving單純移動平均、lowess線性加權(quán)平滑、loess二次加權(quán)平滑等多種選擇，對數(shù)據(jù)平滑化處理選擇的是pan=12和method為loess方法。

以CH4為例，圖15中紅色曲線是歸一化后的數(shù)據(jù)，藍色曲線是平滑化后的數(shù)據(jù)。

4.3 數(shù)據(jù)趨勢分析

第一次室內(nèi)空氣采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過歸一化和平滑化處理后，結(jié)果如圖16。

以CO2數(shù)據(jù)曲線為例，可見在3個時間段內(nèi)有數(shù)據(jù)波動。第一個時間段位有較大的數(shù)據(jù)波動，實際情況是當時室內(nèi)人數(shù)達到30人左右。以此類推將數(shù)據(jù)波動與實際情況對比發(fā)現(xiàn)都吻合，說明采集到的數(shù)據(jù)真實可靠。

5 設(shè)計總結(jié)

本文搭建了通過以Arduino Mega 2560為主控芯片、以MQ-4甲烷傳感器、MQ-7一氧化碳傳感器、MQ-137氨氣傳感器、MH-Z14二氧化碳氣體傳感器和DHT11溫濕度傳感器為數(shù)據(jù)采集模塊的室內(nèi)空氣采集系統(tǒng)平臺。該系統(tǒng)可以準確的實時讀取室內(nèi)指定的氣體濃度數(shù)據(jù)，并通過上位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與處理。數(shù)據(jù)趨勢分析和準確性的驗證，結(jié)果表明數(shù)據(jù)真實可靠。

參考文獻：

[1]潘小川.室內(nèi)空氣質(zhì)量對人體健康的影響[J].中國科學基金，2005（04）：205-208.

[2]GB/T18883-2002.室內(nèi)空氣質(zhì)量標準[S].

[3]呂品.室內(nèi)空氣質(zhì)量控制中關(guān)鍵檢測技術(shù)的研究[D].大連理工大學，2008.

[4]https：//wenku.baidu.com/view/450f8c1352d380eb62946d62.html？from=search[EB/OL].