室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)器

張智杰 蘇雷皓

【摘 要】本設(shè)計(jì)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)器，精度高，成本低，體積小，主要來(lái)監(jiān)測(cè)室內(nèi)空氣質(zhì)量，適用于家庭，會(huì)議室，等候室和教室等。本設(shè)計(jì)的主控芯片使用德州儀器公司超低功耗的MSP430F149，使用高靈敏度的氣體傳感器，精確檢測(cè)室內(nèi)的空氣質(zhì)量。在不同空氣質(zhì)量狀況下，會(huì)使用不同顏色的LED燈和蜂鳴器進(jìn)行相應(yīng)的提示或報(bào)警。使用WIFI模塊實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)器和上位機(jī)之間的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，并將其聯(lián)入網(wǎng)絡(luò)，對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制監(jiān)視，更加方便實(shí)用。

【關(guān)鍵詞】室內(nèi)空氣質(zhì)量；無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸；上位機(jī)；

一、前言

在現(xiàn)實(shí)生活中，室內(nèi)與室外空氣質(zhì)量有較大區(qū)別，急需一種適用于室內(nèi)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)器，要求輕巧便捷，安裝簡(jiǎn)單，功耗低等。本設(shè)計(jì)空氣質(zhì)量檢測(cè)器能很好滿足這一需求，可以準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)室內(nèi)的空氣質(zhì)量狀況，提醒人們采用一些措施來(lái)改善室內(nèi)的空氣質(zhì)量狀況。當(dāng)室內(nèi)的PM2.5或液化氣等可燃?xì)怏w泄漏時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)報(bào)警。目前市場(chǎng)上的空氣凈化器大多采用粉塵傳感器，可以檢測(cè)空氣中的灰塵顆粒，但精度低，且不能檢測(cè)空氣中的其它污染物。隨著空氣凈化器的凈化技術(shù)的升級(jí)，對(duì)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)也需要更精準(zhǔn)、全面。

二、總體設(shè)計(jì)

1.設(shè)計(jì)任務(wù)

本設(shè)計(jì)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)器，尺寸不大于10cm*10cm*5cm，適用于家庭，會(huì)議室，等候室，教室等。一天24小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，可以連續(xù)記錄和顯示一個(gè)月或者更長(zhǎng)的時(shí)間跨度內(nèi)，室內(nèi)空氣質(zhì)量的優(yōu)劣，以數(shù)據(jù)和波動(dòng)曲線兩種方式記錄和顯示。

基本要求：

（1）具有四個(gè)級(jí)別報(bào)警或指示。三種不同色彩的發(fā)光二極管指示，綠色LED代表：空氣質(zhì)量?jī)?yōu)秀；黃色LED代表：空氣質(zhì)量良好；紅色LED代表：空氣質(zhì)量污染，蜂鳴器報(bào)警代表：空氣質(zhì)量嚴(yán)重污染。

（2）功耗小，可保存一個(gè)月的數(shù)據(jù)（每天24小時(shí)，采樣間隔為5秒）。

（3）使用液晶顯示具體的空氣質(zhì)量數(shù)值。

發(fā)揮部分：

（1）在上位機(jī)中根據(jù)現(xiàn)有的檢測(cè)數(shù)據(jù)繪制出空氣質(zhì)量變化曲線?？缮?jí)上位機(jī)功能：上位機(jī)有多功能按鈕，可顯示一周、一個(gè)月甚至一年的數(shù)據(jù)。

（2）使用藍(lán)牙或WIFI模塊進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，甚至可與國(guó)家天氣預(yù)報(bào)中的空氣質(zhì)量狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比，提醒用戶開(kāi)窗通風(fēng)等。

（3）編寫(xiě)一個(gè)小型的手機(jī)軟件，和它互傳數(shù)據(jù)，更加方便實(shí)用。

2.系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)作品使用MSP430F149為主控芯片，有足夠的64個(gè)IO口可以使用[2]。使用高靈敏度的MQ-2等氣體傳感器為核心元件，能精確的監(jiān)測(cè)到空氣質(zhì)量。在不同空氣質(zhì)量狀況下，會(huì)使用LED燈和蜂鳴器進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)警。利用DS1302模塊進(jìn)行實(shí)際時(shí)間校準(zhǔn)，控制整個(gè)程序運(yùn)行的時(shí)序。由于此設(shè)計(jì)需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量很大，因此使用大容量的SD卡進(jìn)行存儲(chǔ)數(shù)據(jù)（由主控芯片統(tǒng)一控制對(duì)SD卡讀寫(xiě)）。再用Visual Basic編寫(xiě)一個(gè)人性化的上位機(jī)，形象地以數(shù)據(jù)和波動(dòng)曲線的形式顯示最近的空氣質(zhì)量信息。

為了方便觀察和使用，我們用WIFI模塊對(duì)監(jiān)測(cè)器和上位機(jī)間的數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線傳輸，并能接入互聯(lián)網(wǎng)。利用1602液晶顯示時(shí)間和相關(guān)空氣質(zhì)量狀況，完全能夠在沒(méi)有上位機(jī)控制的情況下簡(jiǎn)單顯示數(shù)據(jù)，獨(dú)立工作?？傮w結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

三、硬件電路設(shè)計(jì)

1.DS1302時(shí)鐘芯片電路

本系統(tǒng)需要當(dāng)前正確的時(shí)間，因此需要低功耗的時(shí)鐘芯片，我們選用了DS1302。MSP430F149與其采用SPI通信協(xié)議，對(duì)它進(jìn)行設(shè)置、讀取時(shí)間。為了防止突然斷電造成系統(tǒng)時(shí)間錯(cuò)誤，我們對(duì)DS1302單獨(dú)供電。

2.供電電路，

單片機(jī)用3.3V供電，其他一些模塊需要5V供電，所以需有3.3V和5V的電壓引出?？紤]到用戶使用方便，我們采用5V供電器供電方式，并設(shè)有總電源開(kāi)關(guān)。

3.液晶顯示電路

為了方便使用和觀察空氣質(zhì)量的數(shù)據(jù)，我們?cè)黾恿?602液晶顯示功能

4.SD卡模塊電路

對(duì)SD卡采用SPI的讀寫(xiě)模式，僅用四根線接到MSP430F149的IO口上，從而進(jìn)行相應(yīng)的控制。

四、軟件設(shè)計(jì)

由于設(shè)計(jì)要求5s對(duì)空氣質(zhì)量狀況監(jiān)視一次，所以整個(gè)程序的執(zhí)行需要有時(shí)序性。程序初始化完成后，MSP430F149便進(jìn)入低功耗模式，以節(jié)省電能。其它程序的執(zhí)行都放在中斷里。

本系統(tǒng)程序由定時(shí)器TA0喚醒低功耗模式，然后控制系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)，每5秒對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)一次，然后進(jìn)行相應(yīng)的LED或蜂鳴器等警示，每30分鐘向SD卡寫(xiě)入并保存一次數(shù)據(jù)。

1.WIFI模塊程序設(shè)計(jì)

WIFI模塊與上位機(jī)進(jìn)行無(wú)線通信時(shí)，使用TCP協(xié)議，后文中將詳細(xì)介紹。我選用的WIFI模塊可進(jìn)行串口輸出，它與主控單片機(jī)進(jìn)行串口通信。在程序中我開(kāi)啟了MSP430F149的串口功能，在串口中斷中進(jìn)行相關(guān)處理。

2.DS1302模塊程序設(shè)計(jì)

主控單片機(jī)MSP430F149與其采用口模擬SPI通信方式，對(duì)它進(jìn)行設(shè)置、讀取時(shí)間。本設(shè)計(jì)利用主控單片機(jī)的定時(shí)器，950ms左右對(duì)DS1302讀取一次時(shí)間信息，以確保系統(tǒng)顯示的時(shí)間在秒級(jí)上的正確性。任務(wù)需要每5s對(duì)空氣質(zhì)量檢測(cè)一次，我們?cè)O(shè)定當(dāng)DS1302的秒級(jí)個(gè)位數(shù)字為0和5時(shí)，對(duì)空氣質(zhì)量檢測(cè)一次，可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

若發(fā)現(xiàn)DS1302的時(shí)間信息不準(zhǔn)確，可使用上位機(jī)發(fā)送相關(guān)命令設(shè)置時(shí)間，或自動(dòng)設(shè)置和網(wǎng)絡(luò)上的時(shí)間一致。

3.SD卡模塊程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用以扇區(qū)為單位對(duì)SD卡進(jìn)行操作]。SD卡的每個(gè)扇區(qū)有512個(gè)字節(jié)，根據(jù)本文理論分析與計(jì)算部分可知，每30分鐘空氣質(zhì)量信息的數(shù)據(jù)為360個(gè)字節(jié)。為了便于以后對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量的分析，在向SD卡寫(xiě)入數(shù)據(jù)之前，假如當(dāng)前的時(shí)間等信息（約8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)），考慮到程序運(yùn)行速率和對(duì)SD卡的有效利用，我們決定先將30分鐘的數(shù)據(jù)存入一個(gè)數(shù)組，然后使用寫(xiě)單個(gè)扇區(qū)的模式將數(shù)據(jù)寫(xiě)入SD卡，即每30分鐘向SD卡寫(xiě)入一次。

4.上位機(jī)通訊

利用Visual Basic（簡(jiǎn)稱VB）為空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)器編寫(xiě)一個(gè)“定制版”上位機(jī)。主要使用VB中的Winsock控件實(shí)現(xiàn)和空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)器的無(wú)線連接，并將其接入網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行相關(guān)控制。

五、系統(tǒng)調(diào)試

基本模塊調(diào)節(jié)完成并組合后，本設(shè)計(jì)主要三個(gè)部分需要進(jìn)行測(cè)試和分析：

（1）在不同的空氣質(zhì)量狀況下，會(huì)不會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的指示和報(bào)警；

（2）對(duì)SD卡寫(xiě)入并讀出的數(shù)據(jù)是否正確；

（3）通過(guò)WIFI進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是否正確。

（4）整體調(diào)試

參考文獻(xiàn)：

[1] Erick Frederico Kill Aguiar，Henrique Llacer Roig，Luís Henrique Mancini，Eduardo Neiva Caetano Botelho de Carvalho.Low-Cost Sensors Calibration for Monitoring Air Quality in the Federal District-Brazil[J].Journal of Environmental Protection，2015，6：173-189

[2] 朱明.MSP430單片機(jī)C應(yīng)用從入門(mén)到精通[R].大連理工大學(xué)，2007.8：36-52

[3] 童詩(shī)白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）[M].高等教育出版社，2006：96-118

[4] 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）[M].高等教育出版社，2006：20-64

作者簡(jiǎn)介：

張智杰（1970.12-），男，漢族，山東濟(jì)南，實(shí)驗(yàn)中心主任，黨員，副教授，碩士，主要從事電氣自動(dòng)化教學(xué)與實(shí)驗(yàn)；蘇雷皓（1992.11-）男，漢，山東臨沂，碩士，工程師，中匯信息技術(shù)（上海）有限公司從事軟件設(shè)計(jì)工作。

（作者單位：濟(jì)南大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院

中匯信息技術(shù)（上海）有限公司）