基于LabVIEW平臺的多功能甲醛檢測儀

張鋼 王一妹 李云松

摘 要：本文提出一種準確便捷的多功能甲醛檢測儀的設(shè)計方案。采用攀藤公司的多功能電化學甲醛濃度傳感器模組，結(jié)合藍牙傳輸技術(shù)和美國NI公司的LabVIEW平臺開發(fā)構(gòu)建了多功能甲醛檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)檢測準確， 動態(tài)曲線顯示，功能全面，為空氣質(zhì)量測量方法開辟了更加便捷的途經(jīng)。

關(guān)鍵詞：甲醛檢測;PM2.5;LabVIEW;傳感器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.114

1 引言

現(xiàn)代生活中，人們對室內(nèi)空氣質(zhì)量環(huán)境越來越重視，污染的空氣的確會危害人體健康，最新報道污染空氣還影響到人們的智商。對于室內(nèi)污染物如甲醛、PM2.5和TOVC等空氣質(zhì)量參數(shù)的檢測，已成為一個重要的課題，目前市場上對甲醛濃度的檢測，大致分為專業(yè)機構(gòu)的實驗室化學測量和家用級便攜式電子儀器測量。傳統(tǒng)的實驗室分析方法為非現(xiàn)場實時檢測，具有結(jié)果準確可靠、分辨率高、抗干擾能力強的優(yōu)點，但是成本很高，裝置復雜，流程耗時較長，通常作為爭議仲裁和高端消費。而現(xiàn)場便攜式電子檢測儀器則具有快速實現(xiàn)半定量、過程簡潔、便于攜帶和測點靈活的特點，質(zhì)量好的電子檢測儀器在測試精度上基本可以滿足普通家用檢測的要求，因之室內(nèi)環(huán)境下便攜式電子檢測儀器已經(jīng)形成良好的發(fā)展態(tài)勢，研制能夠同時檢測各種氣體的高質(zhì)量智能化多功能的氣體傳感器和先進便攜式檢測儀是室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測的重要課題。隨著人們對甲醛等污染物對健康危害的認識深化，我國在1995年制定了針對甲醛的國家標準GB/T 16127-1995《居室空氣中甲醛的衛(wèi)生標準》，該標準中明確規(guī)定居室內(nèi)空氣中甲醛衛(wèi)生標準 （濃度上限）規(guī)定為 0.08 mg/m3。這為空氣質(zhì)量治理指引了方向，對甲醛污染的控制與治理提供了定量依據(jù)。

目前，市場上進口的歐美便攜式甲醛測試儀等儀器屬于高端制作，準確度較高，分辨率高，質(zhì)量可靠。高端儀器的精確度，測試范圍都已接近或達到國內(nèi)有關(guān)標準的技術(shù)要求，但是其儀器價格昂貴達數(shù)萬，維護費用很高，公眾使用機會有限。而一些低價普通國產(chǎn)便攜式檢測儀器則在準確度、分辨率和穩(wěn)定性方面與進口儀器相比還有較大差距，但是其價格適中、檢測成本低廉，半定量準確度還不錯，現(xiàn)場效率高，故質(zhì)量較好的國產(chǎn)家用甲醛檢測儀目前使用的需求還很大。據(jù)報道國內(nèi)外都將部分高質(zhì)量便攜式甲醛電子檢測儀器也列為推薦方法，《規(guī)范》也規(guī)定了民用建筑工程室內(nèi)空氣中甲醛檢測可采用現(xiàn)場儀器檢測的方法，并要求檢測儀器應定期進行校準。據(jù)報道在技術(shù)研究的基礎(chǔ)上對便攜式甲醛檢測儀器與傳統(tǒng)專業(yè)標準方法進行過大量有益的比對試驗，現(xiàn)場測量結(jié)果表明在 0.01mg/m3 ～ 0.60mg/m3 測定范圍內(nèi)的不確定度小于 20%是可以做到的，因此高質(zhì)量的便攜式家用甲醛檢測儀是有很好的發(fā)展前景的。我們的方案是研發(fā)設(shè)計一種準確度更高、性能更穩(wěn)定、操作方便的多功能甲醛檢測儀，并以滿足《居室空氣中甲醛的衛(wèi)生標準》指標為目標。

2 檢測系統(tǒng)設(shè)計與主要技術(shù)問題

本檢測系統(tǒng)是基于美國NI公司的LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺。LabVIEW平臺提供了圖形化的設(shè)計方法，編程采用流程圖，流程圖也是虛擬儀器的源代碼。這種?可?視?化編程?可?幫助?用戶?方便地集成?來自?任何?供應?商?的?測量?硬件，?在?程序?框?圖?上?可以表現(xiàn)?復雜?的?運算和邏輯，可使用各種圖標、連線、圖形符號來編程。平臺具有強大的?數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和分析、復雜分析?算法等功能，具有編程靈活、界面豐富友好、可自定義等優(yōu)點。具備各種GPIB、VXI儀器、總線接口及串口儀器驅(qū)動程序的聯(lián)動機制，并具有遠程通訊與網(wǎng)絡(luò)功能。在系統(tǒng)測量、自動化、通信、控制方面有著廣闊的應用前景。本項目采用PC機作為終端，選用LabVIEW開發(fā)檢測系統(tǒng)實現(xiàn)甲醛濃度的自動檢測與顯示。

甲醛檢測系統(tǒng)的設(shè)計組成由甲醛傳感器與PM2.5 與PM10檢測模塊、藍牙串口傳輸模塊、數(shù)據(jù)采集和處理、LabVIEW 2014軟件系統(tǒng)、上位機程序以及用戶接口設(shè)計等組成。其中甲醛傳感器檢測模塊、PM2.5 檢測模塊和藍牙串口傳輸模塊，構(gòu)成下位機部分。利用計算機的RS-232串行口，可實現(xiàn)上下雙機的通信，選擇使用藍牙串口傳輸模塊進行無線數(shù)據(jù)通信，所用筆記本電腦沒有串口就利用虛擬串口助手設(shè)置，一般采用的是簡單的四線制連接方式。TXD 為發(fā)送數(shù)據(jù)端，RXD 為接收數(shù)據(jù)端，GND 為接地端，VCC為電源端。

檢測系統(tǒng)軟件采用LabVIEW強大的的圖形語言開發(fā)，由八個功能模塊設(shè)計組合。系統(tǒng)軟件主要包括：數(shù)據(jù)讀出＼寫入模塊，數(shù)據(jù)接收與處理，特征字符串匹配模塊，抗干擾模塊，數(shù)據(jù)處理與計算，平均值計算模塊，動態(tài)波形顯示模塊等。設(shè)計的源程序文件可以打包并直接在Windows平臺下運行。圖1是多功能空氣質(zhì)量檢測儀界面圖。有三個主要參數(shù)顯示窗口。甲醛和PM2.5實時數(shù)據(jù)曲線在圖表上動態(tài)顯示，PM10濃度量使用顯示柱。波形顯示模式為模擬波形記錄儀方式，“動態(tài)數(shù)據(jù)曲線” 顯示采用Chart控件。圖表的正上方是三個主要數(shù)據(jù)輸出文本框，分別顯示當前采集的甲醛、PM2.5 和PM10的濃度數(shù)值。圖表控件中顯示著歷史數(shù)據(jù)連續(xù)不斷地往左邊移動，最新采集的數(shù)據(jù)在右邊逐漸顯示，如參數(shù)測試結(jié)束，點擊“退出”控件退出程序。

下面談?wù)劧喙δ芗兹z測儀系統(tǒng)總體方案實現(xiàn)的幾個主要問題。

（1）傳感器的選用：根據(jù)檢測對象的特點，需要選擇一個測量靈敏度高、測量準確度高，檢測范圍滿足規(guī)定的傳感器，來做甲醛檢測儀的首要部件傳感器。經(jīng)過市場調(diào)研和比較，選擇了攀藤公司的空氣質(zhì)量多功能型傳感器模塊（采用英國DART公司膜片），英國DART公司的電化學甲醛濃度傳感器，國際知名，綜合測試范圍和精度能滿足 GB/T 161271995《室內(nèi)空氣中甲醛衛(wèi)生標準》中規(guī)定的指標要求。我們采用的攀藤PMS5003S 系列是一款可以同時監(jiān)測空氣中顆粒物濃度和甲醛濃度的二合一傳感器。甲醛傳感器負責將甲醛氣體的濃度轉(zhuǎn)化成為電信號，信號調(diào)理電路由前置放大器和濾波電路構(gòu)成，負責將傳感器產(chǎn)生的微弱電信號轉(zhuǎn)化成為匹配的電壓信號，再經(jīng)過微處理器轉(zhuǎn)化成標準化數(shù)字輸出，便于集成使用。PMS5003S運用激光散射原理來檢測污染顆粒物濃度，它不斷采集和計算單位體積內(nèi)空氣中相應的懸浮顆粒物個數(shù)，并換算成為顆粒物濃度。PMS5003S中自帶有風機，需要 5V 電源供電驅(qū)動。與之連接通訊的主板MCU應為3.3V供電，數(shù)據(jù)通訊和控制管腳均采用3.3V作為高電平。在通訊線（RXD、TXD）和控制線（SET、RESET）上加入電平轉(zhuǎn)換芯片或電路之后，也可以采用主板 MCU 的 5V 供電。使用藍牙串口傳輸模塊連通傳感器模塊與上位機進行數(shù)據(jù)通信，采用被動接收形式，無需問答，即下位機會一直發(fā)送數(shù)據(jù)上來。

（2）上位機程序的開發(fā)：主要是 LabVIEW串口數(shù)據(jù)通信編程。 LabVIEW通過VISA與串行接口儀器通信。VISA為用戶提供了一套的可方便調(diào)用的標準I/O底層函數(shù)，是儀器編程的標準I/O應用程序接口（API）。在LabVIEW功能模板的Instrument I/O→Serial中包含進行串行通信的多個功能圖標，分別可實現(xiàn)串口讀、串口寫、串口設(shè)置、中斷、串口緩存檢測、關(guān)閉串口等功能。VISA功能模塊使用了VISA resource name控制參數(shù)，該參數(shù)標識了進行I/O操作應有的配置信息和對應通信的設(shè)備名稱。編程時用到串口初始化函數(shù)（VISA Configure Serial Port）和串口讀函數(shù)（VISA Read），完成串口的初始化和讀出。選擇串行資源并配置參數(shù)（波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶、停止位），根據(jù)所用電腦的串口選擇串口號，本機選擇COM4，波特率默認9600，其他默認。

（3）數(shù)據(jù)接收與處理：串口通信中，一般數(shù)據(jù)幀的通信協(xié)議格式由幾部分信息組成：幀頭、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)塊和幀尾等。數(shù)據(jù)長度和數(shù)據(jù)塊是主要的數(shù)據(jù)部分。項目所用傳感器的通信傳輸協(xié)議是32字節(jié)。其中以0x42、0x4D二個字節(jié)作為數(shù)據(jù)幀頭，之后兩個字節(jié)為幀長度數(shù)據(jù)，接著是數(shù)據(jù)塊，根據(jù)廠家定義，數(shù)據(jù)格式第13-14字節(jié)是PM2.5濃度;第15-16字節(jié)是PM10濃度;第29-30個字節(jié)是甲醛濃度，其他數(shù)據(jù)位是不常用的空氣質(zhì)量指標，31-32個字節(jié)是校驗碼。圖2是特征字符串匹配搜尋、數(shù)據(jù)位提取與計算處理顯示部分源程序圖。

實際運行中，開機后可能最先接收到的信息不一定是幀頭，因為現(xiàn)場檢測過程中可能有干擾有失序，或下位機一直處于發(fā)送數(shù)據(jù)的狀態(tài)，接收的過程中串口也有可能在緩沖區(qū)被清空等等，因此這一幀數(shù)據(jù)的前面部分數(shù)據(jù)可能會丟失，這種失序會造成后面提取特定數(shù)據(jù)字節(jié)時發(fā)生錯誤。因此首先要查找對幀頭，采用的辦法就是搜索特征字，我們使用“匹配字符串函數(shù)”的匹配字功能，如果找到幀頭則會將幀數(shù)據(jù)分為前后兩部分，匹配字后部分就是所需要的數(shù)據(jù)塊。這是一個程序的搜索算法。具體實現(xiàn)的程序可調(diào)用“匹配模式字符串函數(shù)”，見圖2左上。以本項目傳感器模組為例，如圖1中實時顯示為例，其中以42、4D二個字節(jié)作為數(shù)據(jù)幀頭，第三、四個字節(jié)為幀長度計數(shù)器，假如串口接收的一個數(shù)據(jù)包為424D? 001C? 0043? 0065? 006C? 002C? 0042? ?004D? 0000? 0000? 0000? 0000? 0000? 0000? 0019? 0293共32字節(jié)十六進制數(shù)，。其中，數(shù)據(jù)幀頭424D，剛好是字符BM的十六進制表示，也是搜索特征字;接下來是從0043到0019字節(jié)是核心數(shù)據(jù)字節(jié)，信息流經(jīng)過匹配模式字符串函數(shù)圖標之后，原輸入字符串一分為二，匹配字后面的字符串是我們需要的核心數(shù)據(jù)，按位置轉(zhuǎn)換為字符顯示的字符串后可得到實際的各種空氣質(zhì)量參數(shù)值。該傳感器很多數(shù)據(jù)位是不常用的空氣質(zhì)量指標，故沒有提取顯示。把串口接收的數(shù)據(jù)包先進行字節(jié)分別提取，再調(diào)用轉(zhuǎn)換為字符顯示的字符串的圖標，輸出值就是實際的特定空氣濃度值。

（4）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與計算：由于LabVIEW中運行接收到的數(shù)據(jù)都是以字符串的形式存在的，編程中使用“轉(zhuǎn)換為U8數(shù)組”這個函數(shù)，就可以需要將字符串轉(zhuǎn)換為ASCII碼，轉(zhuǎn)換為U8字節(jié)后，就可以進行數(shù)據(jù)幀的采集處理。根據(jù)傳感器基礎(chǔ)設(shè)計，本儀器將收到以下的字符串數(shù)據(jù)，正常情況，頭字節(jié)42，次字節(jié)4D，剛好是字符B、M的十六進制表示;圖2中下半部分顯示的數(shù)組是使用“字符串轉(zhuǎn)換為U8數(shù)組”的函數(shù)轉(zhuǎn)換之后得到的數(shù)組，可以是十六進制或十進制顯示。對照廠家定義的數(shù)據(jù)幀格式順序，就得到各種空氣參數(shù)的數(shù)據(jù)了。幀頭查找到以后，所用傳感器的傳輸數(shù)據(jù)格式第13-14字節(jié)是PM2.5濃度;第15-16字節(jié)是PM10濃度;第29-30字節(jié)是甲醛濃度。注意串口程序的字節(jié)序是高位在前，低位在后。濃度計算時，高位數(shù)加上低位數(shù)時要乘上256，這二個字節(jié)的數(shù)據(jù)相加就是我們要的實際數(shù)據(jù)，在實際使用過程中應該根據(jù)幀格式的字義來解析這個數(shù)據(jù)，直接使用索引號進行索引輸出可以方便得到。由“創(chuàng)建波形”節(jié)點創(chuàng)建波形數(shù)據(jù)，之后，波形數(shù)據(jù)流入Chart圖表中動態(tài)顯示。 從圖2可以看到，有甲醛，PM2.5，PM10三個數(shù)據(jù)流要經(jīng)過并行數(shù)據(jù)處理。調(diào)試程序時可以使用探針監(jiān)視窗口，LabVIEW 在探針窗口中會自動列出探針并為這些探針編號，窗口顯示的值就是探針符號所在連線的探測點的字符串或者實時值。

（5）抗干擾模塊：傳感器模塊傳送數(shù)據(jù)串過程中，由于檢測系統(tǒng)的波動性或現(xiàn)場擾動，數(shù)據(jù)偶爾會出現(xiàn)凌亂，采集數(shù)據(jù)偶爾會出現(xiàn)很高的數(shù)值尖峰，這個模塊要采用比較程序把尖峰過濾掉，代之以平均值。使之平穩(wěn)輸出。

（6）平均值模塊：有時測試時間可能較長，如果環(huán)境正常波動不大的情況，為了測試數(shù)據(jù)更準確，這時就需要取一個平均值，甲醛濃度也顯示為平均值。最小值和最大值也要檢出。系統(tǒng)在出現(xiàn)尖峰干擾或其他擾動時，可以拉回到平均值。系統(tǒng)支持大量歷史數(shù)據(jù)回放，這些都是電子儀器測量的優(yōu)勢。

利用LabVIEW的平臺環(huán)境開發(fā)串口通信程序，流程圖清晰規(guī)整。我們開發(fā)的檢測系統(tǒng)程序，人機界面設(shè)計友好，觀測方便，波形曲線顯示準確流暢。經(jīng)過現(xiàn)場實測分析，檢測分析結(jié)果在日常所見測定范圍內(nèi)的不確定度小于 20%是可以做到的。 空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)采集可靠、運行效率高，能夠提供可靠的甲醛污染狀況等級判定。和傳統(tǒng)專業(yè)實驗室化學方法比較，方便快捷，測點靈活，成本低廉，誤差可控，可以將數(shù)值轉(zhuǎn)換為等級，具備真正的使用價值。

由于LabVIEW檢測系統(tǒng)的升級改動很方便，我們同時也設(shè)計了另一種基于LabVIEW平臺的便攜式甲醛檢測儀，采用的WZ-S 型甲醛檢測模組是全球甲醛檢測專家——英國DART公司的最新力作，升級版原裝達特甲醛傳感器結(jié)合先進的微檢測技術(shù)，直接將環(huán)境中的甲醛含量轉(zhuǎn)換成濃度值，它和本文所示檢測系統(tǒng)相結(jié)合，綜合比照，中西合璧，使得檢測數(shù)據(jù)更準確更有實用價值。

3 結(jié)束語

本文介紹了一種基于LabVIEW平臺設(shè)計的多功能甲醛檢測儀，該系統(tǒng)能夠?qū)兹┖蚉M2.5等參數(shù)實時地監(jiān)測。能夠克服傳統(tǒng)監(jiān)測方法過程復雜、成本高、請不起、耗時長等不足。從檢測系統(tǒng)進行的測試分析以及現(xiàn)場對比測試來看，采集數(shù)據(jù)較為準確，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，顯示清晰動態(tài)曲線，這種檢測儀器可以方便地在現(xiàn)場完成半定量檢測甲醛濃度等，操作方便，具有較高的實用價值。

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