基于STM32的微波通信甲醛實時檢測及快速凈化系統(tǒng)

黃嘉民 曹佳帥 王祖望 王新輝

（長沙學(xué)院 湖南省長沙市 410003）

眾所周知，人們搬進新家之前都會進行精裝修，而裝修過程中就會出現(xiàn)一種很常見的有毒氣體，那就是甲醛，它是當今社會中最主要的室內(nèi)污染物。研究證明，空氣中的甲醛對人體的危害隨著濃度升高而增大。當空氣中甲醛濃度為0.1mg/m時，人體就會感到不適；當濃度為0.2mg/m時，會使人患上咽喉炎、哮喘等病癥；當濃度為0.5mg/m時，會刺激人的眼睛；當濃度大于0.6mg/m時，將對人體有致癌的危險，尤其是嬰兒，近年來國家又大力推廣三胎政策，而嬰幼兒的免疫系統(tǒng)還沒有完全健全，此時如果室內(nèi)甲醛含量超標，可能會引發(fā)急性白血病，造成生命危險。因此，實時探測及快速清除甲醛氣體，并且可以通過信息傳遞提醒人們此時室內(nèi)的甲醛濃度，能拓展信息的維度及其可辨識度，可以幫助人們遠離有毒氣體（甲醛）對人體的危害，也是為環(huán)境凈化奠定了基礎(chǔ)。

甲醛、苯、氨氣、氡氣等是室內(nèi)空氣中常見的污染物，其中最為突出的是甲醛污染問題，是最主要的超標因素，被稱作室內(nèi)“污染物之王”。裝修過的房間總飄蕩著刺鼻氣味，停留的時間稍長，人就會出現(xiàn)頭昏、刺眼、喉痛、胸悶、嘔吐、暈厥等不良反應(yīng)，多半是甲醛危害的直觀表現(xiàn)。據(jù)全國各地的室內(nèi)空氣檢測數(shù)據(jù)分析，裝修后的室內(nèi)空氣都存在不同程度的空氣污染，其中以甲醛污染最為嚴重。室內(nèi)甲醛的主要來源是室內(nèi)裝修材料及家具，尤以所用人造板為甚。室內(nèi)甲醛污染影響人們的健康，已引起人們的高度關(guān)注，那么室內(nèi)甲醛污染對人類健康的危害到底有多大呢？根據(jù)國內(nèi)的醫(yī)學(xué)雜志相關(guān)文獻報道，室內(nèi)甲醛對人體健康的危害可歸納為刺激作用、毒性作用和致癌作用。

現(xiàn)如今市場上的大部分甲醛檢測儀存在檢測周期長、操作復(fù)雜、成本高等不足，并且現(xiàn)有的甲醛檢測儀器很多都只有檢測甲醛濃度的功能，并沒有將其定向清除的能力，為了達到清除甲醛的效果還得另外購買專門清除甲醛的裝置，這無疑是增加成本，給人們的生產(chǎn)生活帶來不便。為此，設(shè)計一款適合家用的甲醛檢測及凈化儀器，以滿足居民對室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測的需求。

1 項目相關(guān)技術(shù)

1.1 電化學(xué)甲醛檢測

本設(shè)計在傳統(tǒng)的氣體檢測裝置基礎(chǔ)上進行了創(chuàng)新，使用電化學(xué)的原理來檢測室內(nèi)甲醛濃度。將裝置放置入檢測區(qū)域后，利用電化學(xué)原理能夠?qū)諝庵械募兹┻M行快速的檢測，檢測出的濃度值可以通過數(shù)字輸出以及模擬電壓輸出從而更好的與STM32進行信息的交互，檢測速率極快，且本裝置對于酒精，一氧化碳等干擾氣體具有一定的抗干擾性，能夠提供較為精準的檢測數(shù)值。本設(shè)計采用一款通用型、小型化的氣體傳感器ZE08-CHO，內(nèi)置溫度傳感器，可以在剛啟動時為氣體傳感器進行加熱，達到工作狀態(tài)，提供UART、模擬電壓信號和PWM波形等多種輸出方式。具有優(yōu)秀的抗干擾性、溫度補償、卓越的線性輸出。主要應(yīng)用領(lǐng)域包括便攜式儀表、空氣質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備、空氣凈化機、新風換氣系統(tǒng)、空調(diào)、智能家居設(shè)備等場所。

1.2 三氧分子概述

三氧分子俗稱臭氧，是氧氣的一種同素異形體，擁有極強的氧化性，在常溫下可自行還原成氧氣，在化工生產(chǎn)中，臭氧可以代替很多催化器氧化或高溫氧化，從嗅覺上略帶魚腥味，有殺菌、凈化空氣、促進血液循環(huán)等功效。本設(shè)計采用的方法是：利用臭氧發(fā)生器將周圍的氧氣分子通過強電場作用，轉(zhuǎn)換成三氧分子對空氣中的甲醛氣體進行氧化還原反應(yīng)，達到甲醛凈化的功效。臭氧可以迅速分解裝修污染氣體，非?？焖俚娜コb修材料釋放出的甲醛、苯和氯氣等各種有害氣體，有著迅速凈化室內(nèi)空氣的作用；同時還能殺滅空氣中的細菌，可以迅速殺滅細菌繁殖體、芽孢真菌、病菌等病原微生物，對室內(nèi)空氣和物品達到消毒的目的。不僅如此，三氧分子還可迅速還原成氧原子，可以大幅度地增加室內(nèi)氧氣濃度,促進血液循環(huán)和新陳代謝，預(yù)防各類心腦血管疾病發(fā)生；同時由于三氧分子還原成氧氣時會釋放較多的負離子，能有效凈化空氣，同時還能夠激活空氣中的氧分子而形成攜氧負離子，活躍空氣分子，改善人體肺部功能，增強人體的免疫能力，調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)系統(tǒng)，使人保持清醒、思維活躍等。

1.3 氧化還原凈化原理

自然界中存在著很多氧化還原反應(yīng)，強氧化性的氣體可以輕松氧化強還原性的氣體并生成其他的氣體成分。常見2HCHO+2O=2CO+2HO+O的凈化甲醛的方法有開窗通風和等離子凈化都有一定的局限性，開窗通風清除的速度慢，效率低；負離子凈化價格過高且凈化效果差強人意，不利于在日常生活中凈化甲醛。因此我們采用三氧分子實現(xiàn)快速凈化甲醛的功效，三氧分子就是我們俗稱的臭氧，擁有極強的氧化性，其具體實現(xiàn)的方法是利用高濃度臭氧與空氣中的甲醛發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其反應(yīng)原理為：高濃度三氧分子具有強氧化性，并利用臭氧、甲醛分子1:1等摩爾比反應(yīng)，將甲醛分子中具有毒性的碳氧共價雙鏈鍵破壞掉，并轉(zhuǎn)化為對人體無毒無害的水和二氧化碳，不會對環(huán)境造成污染，同時也可以利用臭氧的強氧化性來分解空氣中的異味、細菌病毒以達到空氣凈化的功效。其中三氧分子與甲醛氣體的氧化還原反應(yīng)化學(xué)方程式及分子結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1：三氧分子與甲醛產(chǎn)生反應(yīng)示意圖

1.4 無線串口通信

現(xiàn)有檢測甲醛的方法：都需要人為手持設(shè)備去檢測，檢測過程中可能會吸入較多甲醛。我們需要一種能夠在超遠距離為我們提供室內(nèi)甲醛濃度的方法。所以我們采用兩塊LORA無線串口作信息傳輸模塊，它是一款體積小、功率要求低、功耗低、性能高的遠距離LORA無線串口模塊。本模塊相當于擁有32個信道?？梢詫⑵渥鳛榇谑褂茫诒驹O(shè)計中也是利用了串口的功能，檢測凈化裝置中的LORA在接收單片機指令后，發(fā)送給接收機的LORA中，接收機在通過指令反饋給檢測凈化裝置，從而實現(xiàn)了信息交互效果

。

1.5 微波通信

結(jié)合了ATKSIM900C集成的GPRS模塊無線通信功能和高性能微處理器及嵌入式TCP協(xié)議實現(xiàn)基本的通信功能。當系統(tǒng)檢測到室內(nèi)甲醛濃度超過安全閾值時，使能STM32處理器中的串口引腳，經(jīng)過STM32處理器處理后經(jīng)串口發(fā)送給GPRS模塊最后發(fā)送信息到數(shù)據(jù)上位機上。我們使用該模塊來監(jiān)測室內(nèi)甲醛濃度，若室內(nèi)甲醛濃度超過設(shè)定的安全范圍時，通過AT指令發(fā)送一條“甲醛濃度超標，禁止入內(nèi)”的短信給設(shè)定的用戶手機卡中，實現(xiàn)超遠距離人機交互。

1.6 本設(shè)計的創(chuàng)新點

首先本設(shè)計在傳統(tǒng)的氣體檢測裝置基礎(chǔ)上創(chuàng)新，使用電化學(xué)原理檢測室內(nèi)甲醛濃度；實現(xiàn)了超快并實時檢測的效果。若甲醛濃度超標則啟動凈化功能，未超標時關(guān)閉凈化功能；其次是本設(shè)計在傳統(tǒng)的氣體清除裝置基礎(chǔ)上創(chuàng)新，使用臭氧發(fā)生器智能產(chǎn)生三氧化氣體，對甲醛進行化學(xué)反應(yīng)，利用高濃度臭氧的強氧化性會使臭氧原子核強制奪取甲醛分子共價鍵中的電子，轉(zhuǎn)化成對人體無害的水和二氧化碳。最后是在傳統(tǒng)的信息傳輸裝置基礎(chǔ)上創(chuàng)新，增加了GPRS模塊和LORA無線串口模塊，實現(xiàn)了探測清除的同時向用戶發(fā)送報告信息的功能，保障室內(nèi)空氣質(zhì)量能夠允許人們自由進入。實現(xiàn)了可遠距離高頻通信的甲醛檢測及凈化系統(tǒng)一體化、自動化。

2 系統(tǒng)硬件板塊構(gòu)成

本系統(tǒng)由LCD顯示模塊、OLED顯示模塊、甲醛檢測傳感器模塊、12V電源模塊、降壓穩(wěn)壓模塊、臭氧發(fā)生器模塊、主控MCU模塊，GPRS模塊、無限串口模塊、蜂鳴器模塊等組成。甲醛濃度信息通過LCD顯示，OLED顯示屏攜帶在客戶身上，通過數(shù)字及文字直觀地顯示在屏幕上，讓我們的客戶能夠?qū)崟r觀察裝修室內(nèi)的甲醛濃度及清除情況。電化學(xué)甲醛檢測傳感器模塊用于檢測室內(nèi)甲醛氣體與裝置發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的濃度，電化學(xué)甲醛傳感器安裝在的正在裝修、裝修完畢的房間中或者汽車車內(nèi)等處，當室內(nèi)甲醛濃度超標時，立即向STM32控制器發(fā)送信號。利用無線串口模塊設(shè)計了甲醛檢測接收機，用LCD實時顯示室內(nèi)甲醛濃度，并通過GPRS基站模塊檢測到濃度超標后向用戶手機發(fā)送警報短信，通知用戶該區(qū)域甲醛濃度達到危險值，臭氧凈化模塊則會在甲醛濃度超標的情況下智能釋放高能濃度臭氧分子來凈化環(huán)境。電源模塊用于為整個系統(tǒng)提供能源。系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

圖2：系統(tǒng)整體框圖

檢測凈化裝置硬件設(shè)計：

檢測凈化裝置由PCB電路板、微處理器、電化學(xué)甲醛檢測傳感器、臭氧發(fā)生器、減壓穩(wěn)壓模塊、12V電源、蜂鳴器、LCD顯示屏結(jié)構(gòu)構(gòu)成。當裝置檢測到室內(nèi)甲醛濃度超標時，會啟動蜂鳴器報警并導(dǎo)通PNP三極管驅(qū)動臭氧發(fā)生器發(fā)出臭氧，待室內(nèi)甲醛濃度恢復(fù)正常之后，停止蜂鳴器和臭氧發(fā)生器工作。檢測凈化裝置硬件電路原理圖如圖3所示。

圖3：系統(tǒng)電路原理圖

核心微處理器硬件設(shè)計：

本系統(tǒng)中采用的是ARM Cortex M3處理器內(nèi)核的32位Flash閃存微控制器STM32芯片，其具體是使用了STM32F103C8T6控制板來對系統(tǒng)進行整體控制。手動開關(guān)控制甲醛檢測及凈化裝置的啟動以及斷電。該控制器使用的主流的Cortex內(nèi)核，擁有豐富合理的外設(shè)以及較低的功耗，同時在軟件開發(fā)過程中十分容易對軟件進行編寫以及更改、減少軟件的開發(fā)時間，同時有較快速的信息處理能力等特點。

甲醛檢測硬件設(shè)計：

本設(shè)計的檢測模塊使用的是電化學(xué)甲醛模組，將裝置放置入檢測區(qū)域后，利用電化學(xué)原理能夠?qū)諝庵械募兹┻M行快速的檢測，檢測出的濃度值可以通過數(shù)字輸出以及模擬電壓輸出從而更好的與STM32進行信息的交互，同時具有高靈敏度、高靈敏度和較低的功耗的優(yōu)點，且本裝置對于酒精，一氧化碳等干擾氣體具有一定的抗干擾性，能夠提供較為精準的檢測數(shù)值。

臭氧發(fā)生器凈化模塊設(shè)計：

利用臭氧發(fā)生器中的強電場作用，使周圍的氧氣分子轉(zhuǎn)換成三氧分子。三氧分子與甲醛反應(yīng)，選用5V供電的臭氧發(fā)生器，采用PNP三極管來控制發(fā)生器的導(dǎo)通情況，基于三極管的導(dǎo)通原理，我們將PNP三極管柵極接在STM32處理器的任意推挽輸出的引腳上，當系統(tǒng)檢測到室內(nèi)甲醛濃度大于設(shè)定的安全范圍時，柵極所對應(yīng)的引腳輸出高電平，臭氧發(fā)生器導(dǎo)通；當系統(tǒng)檢測到室內(nèi)甲醛濃度小于設(shè)定的安全范圍時，柵極所對應(yīng)的引腳輸出低電平，臭氧發(fā)生器關(guān)閉。

接收機模塊設(shè)計：

接收機由微處理器、無線串口、GPRS、穩(wěn)壓電源、OLED顯示屏組成。當接收到的室內(nèi)甲醛濃度值大于安全范圍，則激活GPRS向數(shù)據(jù)上位機發(fā)送信息。接收機模塊組成框圖如圖4所示。

圖4：接收機模塊組成框圖

檢測凈化裝置模塊設(shè)計：

由穩(wěn)壓后的5V電源供電，微處理器采用STM32F103 C8T6最小系統(tǒng)板，顯示屏選用經(jīng)典的LCD1602A，甲醛檢測傳感器與無線串口通過串口連接到STM32F103C8T6最小系統(tǒng)板上，利用兩塊PNP三極管對臭氧發(fā)生器與蜂鳴器進行智能控制。

微波通信模塊設(shè)計：

微波通信由無線串口和GPRS模塊將檢測凈化裝置與接收機無線連接，包括無線串口、高頻通信、無線通信技術(shù)、TCP協(xié)議等等?？梢詫崟r超遠距離傳輸甲醛濃度數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳送至接收機，接收機顯示數(shù)據(jù)最后通過基站模塊發(fā)給數(shù)據(jù)上位機，若室內(nèi)甲醛濃度大于0.1mg/m時，基站模塊向數(shù)據(jù)上位機發(fā)送“禁止入內(nèi)?。?！”，并通過GPRS模塊向指定手機卡中發(fā)送危險報警；若室內(nèi)甲醛濃度小于0.1mg/m時，基站模塊向數(shù)據(jù)上位機發(fā)送“允許入內(nèi)！?。　?，并通過GPRS模塊向指定手機卡中發(fā)送安全狀態(tài)。微波通信模塊組成框圖如圖5所示。

圖5：微波通信模塊組成框圖

3 系統(tǒng)軟件板塊設(shè)計流程

本系統(tǒng)安裝在正在裝修及裝修完畢后的房間中，當室內(nèi)甲醛濃度超標被氣體傳感器檢測到，系統(tǒng)控制中心對產(chǎn)生的信號進行智能分析判斷后發(fā)出控制信號，啟動臭氧發(fā)生器清除甲醛氣體，并通過蜂鳴器報警，同時通過無線串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給接收端，GPRS模塊發(fā)送信息給用戶，該系統(tǒng)的軟件板塊設(shè)計流程如圖6所示。

圖6：系統(tǒng)軟件板塊設(shè)計流程圖

5 結(jié)語

目前市面上甲醛檢測儀存在檢測周期長、操作復(fù)雜、成本高等不足，不考慮空間的實際大小?，F(xiàn)有凈化甲醛的方法：開窗通風和負離子凈化，都有其局限性，不利于在日常生活中清除甲醛。為了克服現(xiàn)有的甲醛檢測及凈化系統(tǒng)引起的質(zhì)量與性能問題，本發(fā)明一種基于STM32的微波通信甲醛實時檢測及三氧分子超快凈化系統(tǒng)的裝置，不僅可以解決傳統(tǒng)開窗通風和分立儀器帶來的質(zhì)量問題，而且也可以解決不能遠距離檢測的性能問題。

本項目解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：該裝置包括凈化裝置、接收機、數(shù)據(jù)上位機、顯示模塊、通信模塊、信號處理模塊、穩(wěn)壓模塊、12V電源。所述檢測凈化裝置內(nèi)裝配電化學(xué)甲醛傳感器和臭氧發(fā)生器，且電化學(xué)甲醛傳感器位于電化學(xué)甲醛傳感器頂部，臭氧發(fā)生器位于檢測凈化裝置底部且平行于電化學(xué)甲醛傳感器；所述通信模塊采用兩個無線串口模組將檢測凈化裝置和接收機無線連接起來，且無線串口模組都與相應(yīng)的處理器通過串口相連；所述信號處理模塊分別與接收機和數(shù)據(jù)上位機相連；所述12V電源通過降壓穩(wěn)壓模塊穩(wěn)壓后與檢測凈化裝置以及接收機相連，且位于裝置底部。利用電化學(xué)原理能夠?qū)諝庵械募兹┻M行快速的檢測，檢測出的濃度值可以通過數(shù)字輸出以及模擬電壓輸出從而更好的與處理器進行信息的交互，使得顯示模塊上實時顯示室內(nèi)甲醛濃度，當濃度超出安全閾值（0.1mg/m）時，驅(qū)動臭氧發(fā)生機釋放臭氧。本項目有益效果是，可以實時超遠距離傳輸甲醛濃度數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳送至接收機，接收機顯示數(shù)據(jù)最后通過短信方式發(fā)給數(shù)據(jù)上位機，并可以保證全部設(shè)備的性能穩(wěn)定，質(zhì)量可靠。

本設(shè)計在傳統(tǒng)的氣體檢測裝置基礎(chǔ)上創(chuàng)新，使用電化學(xué)原理檢測室內(nèi)甲醛濃度；實現(xiàn)了超快探測的技術(shù)本設(shè)計在傳統(tǒng)的氣體清除裝置基礎(chǔ)上創(chuàng)新，使用臭氧發(fā)生器智能產(chǎn)生三氧化氣體，對甲醛進行化學(xué)反應(yīng)，將甲醛分子中的碳氧共價鍵破壞掉，并轉(zhuǎn)化成對人體無害的水和二氧化碳；在傳統(tǒng)的信息傳輸裝置基礎(chǔ)上創(chuàng)新，增加了GPRS模塊和無線串口模塊，實現(xiàn)了探測清除的同時向用戶發(fā)送報告信息的功能，保障室內(nèi)空氣質(zhì)量能夠允許人們自由進入。