基于數(shù)據(jù)分析的甲醛與PM2.5無線監(jiān)控與預測系統(tǒng)

趙麗 鄭艷芳 田會峰 張寶芳 王俊杰

摘? 要： 針對室內(nèi)環(huán)境的甲醛和PM2.5的濃度測量與預測的需求，設計基于MEGA2560微控制器和ZigBee的無線監(jiān)控預測系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)分析，采用ZigBee、藍牙等多種無線通信技術通過節(jié)點對甲醛、PM2.5進行污染監(jiān)測，并發(fā)送數(shù)據(jù)到主機。主機對各個節(jié)點的數(shù)據(jù)進行分析，并在人機交互界面上能夠顯示各個節(jié)點的實時污染狀態(tài)、歷史數(shù)據(jù)、趨勢曲線、工作狀態(tài)等。同時能夠在污染物濃度超過閾值時進行報警，通過算法對甲醛、PM2.5濃度進行趨勢分析，算出其達到正常值的時間，再以液晶屏顯示、語言播報形式提示用戶。此外，還能夠將以上傳至手機上，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。實驗結果表明，該系統(tǒng)能夠實時地監(jiān)控各個節(jié)點的工作運行情況，可以滿足室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測的要求。

關鍵詞： 數(shù)據(jù)分析; 污染監(jiān)測; ZigBee通信; 人機交互界面; 趨勢分析; 遠程監(jiān)控

中圖分類號： TN921?34; TP391.8? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）16?0053?05

0? 引? 言

隨著我國環(huán)保理念的提出，人們在關注大氣污染的同時也開始關注室內(nèi)空氣的污染。在室內(nèi)污染中，甲醛和PM2.5是主要的污染源。研究表明，甲醛存在強烈的致癌和促癌作用。有文獻報道：甲醛對人體健康的影響主要表現(xiàn)在嗅覺異常、刺激、過敏、肺功能異常、肝功能異常和免疫功能異常等方面[1]。新裝修的房間甲醛含量較高，是眾多疾病的主要誘因。PM2.5指環(huán)境空氣中空氣動力學當量直徑小于等于2.5 μm的顆粒物，空氣中含量越高，說明空氣污染越嚴重。與較粗顆粒物相比，PM2.5粒徑小、表面積大、活性強、易附帶有毒有害物質、停留時間長、輸送距離遠，對人體健康和大氣環(huán)境質量有非常大的影響。PM2.5可引起人群日總死亡率升高，影響呼吸系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、心血管與神經(jīng)系統(tǒng)以及生殖系統(tǒng)功能，造成相關疾病的發(fā)病率及死亡率升高[2]。目前，世界主要發(fā)達國家以及亞洲的泰國和印度等國家都已將PM2.5列入空氣質量標準。因此，在保護空氣環(huán)境的同時，研究一種可以實時、靈敏、快速、直觀地監(jiān)測甲醛及PM2.5的系統(tǒng)十分重要。

1? 系統(tǒng)總體設計方案

本系統(tǒng)以單片機為控制核心，實現(xiàn)對甲醛、PM2.5監(jiān)測的基本控制功能。系統(tǒng)主要功能包括：數(shù)據(jù)采集、無線通信、數(shù)據(jù)分析、人機交互、趨勢預測及語音播報等功能。各個節(jié)點實時采集甲醛、PM2.5數(shù)值并通過ZigBee與主機通信，主機對節(jié)點信息進行處理，顯示濃度信息并繪制預測曲線，當超出標準值時報警。系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

2? 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)由節(jié)點與主機兩部分組成，節(jié)點負責采集各個點的甲醛、PM2.5數(shù)據(jù)并通過ZigBee上傳給主機，當數(shù)據(jù)超出標準值時，節(jié)點會產(chǎn)生報警信息;主機接收各個節(jié)點的數(shù)據(jù)并通過觸摸屏顯示控制，并可以實時播報所選節(jié)點的信息，也可以用手機通過藍牙控制主機。節(jié)點與主機的系統(tǒng)框圖如圖2和圖3所示。

2.1? ZigBee通信模塊設計

ZigBee是基于IEEE 802.15.4標準的低功耗個域網(wǎng)協(xié)議，而ZigBee通信技術是一種短距離、低功耗的無線組網(wǎng)通信技術，可用于自動控制和遠程控制領域。

本文采用的是遠程控制這一特點，ZigBee通信作為電源模塊和上位機之間的連接橋，其可實現(xiàn)無線透明高速傳輸，有效地保證了整個系統(tǒng)的快速反應。本系統(tǒng)使用的德州儀器公司的CC2530 ZigBee芯片。系統(tǒng)中傳感器檢測點有多個，所以必須實現(xiàn)多點間通信。每個傳感器模塊分別對應一個ZigBee信號發(fā)送，主機設置一個ZigBee信號接收模塊。CC2530芯片原理圖如圖4所示。

2.2? JQ6500語音模塊設計

JQ6500是一款提供串口的MP3芯片，它集成了MP3和WMV硬解碼。同時軟件支持TF卡驅動，支持電腦直接更新SPI內(nèi)容的閃存SPI FLASH的內(nèi)容，支持FAT16，F(xiàn)AT32文件系統(tǒng)。該芯片的最大優(yōu)點是可以靈活替代 SPI FLASH中的語音內(nèi)容，避免需要安裝主機的語音芯片替代語音的麻煩，使產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)變得簡單易行。語音功放原理和語音芯片接口原理圖如圖5和圖6所示。

2.3? 甲醛傳感器模塊設計

甲醛檢測儀采用英國達特（DART）公司生產(chǎn)的甲醛傳感器。該傳感器測量精度高、響應速度快、功耗低、抗干擾能力強。這是一種雙電極電化學傳感器，由擴散原理實現(xiàn)，無需外部采樣硬件。當存在甲醛氣體時，將會有非常小的直流產(chǎn)生;傳感器本身不需要電源，但產(chǎn)生的電流需要外部數(shù)據(jù)采集才能將其轉換為可讀信號，甲醛傳感器的原理圖如圖7所示。

2.4? PM2.5傳感器模塊設計

夏普（SHARP）光學灰塵傳感器（GP2Y1010AU0F）在檢測香煙煙霧等非常細小的顆粒方面特別有效，是一種常見的空氣凈化系統(tǒng)。該裝置中，紅外發(fā)光二極管和光電晶體管對角排列，使其能夠檢測到空氣中的灰塵反射光。檢測原理：傳感器中心有一個孔讓空氣自由流動，定向發(fā)出LED光，并通過檢測空氣中灰塵折射后的光線來確定灰塵的含量，夏普PM2.5粉塵傳感器電路圖如圖8所示。

3? 系統(tǒng)軟件設計

3.1? 主程序設計

整個設計系統(tǒng)要完成的主要任務是驅動傳感器，采集傳感器輸出的電壓值，通過單片機的實時計算，在LCD上顯示出測量的甲醛、PM2.5濃度值，通過擬合關系，繪出趨勢圖。主機運行流程如圖9所示，串口屏幕顯示歡迎界面，點擊該界面進入主菜單，分別有概覽和說明，點入概覽后顯示3個節(jié)點詳情，判斷是否按下節(jié)點，如果按下則顯示該節(jié)點的詳情信息，并判斷是否按下該節(jié)點的燈開關按鈕，進行開關燈操作。

3.2? 節(jié)點軟件主程序設計

節(jié)點進行PM2.5、甲醛濃度的檢測，并對檢測結果濾波，同時進行指令判斷，如果有開關燈指令就進行開關燈操作，如果有上傳指令則上傳測試結果。節(jié)點流程圖如圖10所示。

3.3? ZigBee組網(wǎng)程序設計

系統(tǒng)中傳感器檢測點有多個，所以必須實現(xiàn)多點間通信。每個傳感器模塊分別對應一個ZigBee信號發(fā)送，主機設置一個ZigBee信號接收模塊。此外，必須考慮防止數(shù)據(jù)包在空氣中的傳輸時相互碰撞，為了建立可靠的無線傳輸通路，考慮采用頻分多址（FDMA）。FDMA技術將可用的頻率帶寬拆分為具有較窄帶寬的子信道，這樣每個子信道均獨立于其他子信道，從而可被分配給單個發(fā)送器，組網(wǎng)流程圖如圖11所示。

3.4? 數(shù)字濾波

最終采用數(shù)字濾波算法來解決PM2.5的干擾問題。這種濾波方式適用于實時性較強的系統(tǒng)，可以加快數(shù)據(jù)處理的速度，可以有效抑制脈沖干擾和周期性干擾，提高濾波算法的靈敏度，應用該種算法使PM2.5傳感器的測試結果趨于正常。

滑動平均濾波器是一種有限脈沖濾波器，其是通過平均濾波改進而得來。它是通過一個長度為N的滑動窗，沿離散時間不斷向前滑動，每隔一個采樣周期向前滑動一次。設滑動時窗的采樣寬度為T，采樣點數(shù)為N，并設置N個存放采樣數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，為反應信號的實時變化，按計數(shù)值[k（k=0，1，2，…，N-1）]依次更新并存放當前采樣數(shù)據(jù)[i（k）]，即當采樣第K個點時，用當前采樣周期的新信息覆蓋前一個采樣周期的同位置信息，每次采樣新數(shù)據(jù)只覆蓋緩沖區(qū)中的一個舊數(shù)據(jù)，其他N-1個數(shù)據(jù)無變化，由此得出滑動平均值濾波器的遞推公式為：

[i（k）=i（k-1）+（i（k）-i（k-N））N]

式中：[i（k）]為采樣值;[i（k）]為輸入[i（k）]的移動平均值;N為數(shù)據(jù)緩沖器長度[3]。

該濾波方法既能有效地抑制脈沖干擾和周期性干擾，又能提高濾波算法的靈敏度。

4? 系統(tǒng)運行及改進

經(jīng)過不斷調(diào)試，本系統(tǒng)運行良好，能夠迅速測出并預算出甲醛和PM2.5曲線，最終得到甲醛和PM2.5的趨勢圖如圖12和圖13所示。

本系統(tǒng)尚存在一些不足，后期需在以下幾個方面不斷完善：

1） 利用云服務，開發(fā)WiFi客戶端，實現(xiàn)全平臺適配;

2） 改進算法，提高預測的精度。

5? 結? 語

針對室內(nèi)環(huán)境的甲醛和PM2.5的濃度測量與預測的需求，設計了基于MEGA2560微控制器和ZigBee的無線監(jiān)控預測系統(tǒng)。實驗結果表明，該系統(tǒng)能夠實時監(jiān)控各個節(jié)點的工作運行情況，可以滿足室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測的要求。本系統(tǒng)克服了市面上已有產(chǎn)品的沒有歷史數(shù)據(jù)記錄、沒有分析功能、沒有污染趨勢計算以及不能對環(huán)境污染物的趨勢進行分析等弊端，實現(xiàn)了遠程監(jiān)控、趨勢分析、歷史報表等高級功能，符合智能化、遠程化、人性化的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢。

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