基于物聯(lián)網(wǎng)自帶溫度氣壓補(bǔ)償?shù)募兹z測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

秦 蒙，曾昭源，任照富

（1.重慶電力高等?？茖W(xué)校 信息工程學(xué)院，重慶 400053；2.重慶市永川職業(yè)教育中心，重慶 402160）

0 引 言

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，我國(guó)居民生活水平不斷提高，人們也越來(lái)越注重個(gè)人健康情況，其中，人們對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量的重視程度呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。甲醛作為常見(jiàn)的室內(nèi)有害氣體，廣泛存在于我們生活的方方面面，特別是在新裝修的室內(nèi)空間，甲醛濃度超標(biāo)率更是驚人，嚴(yán)重威脅著人們的身體健康。因此，甲醛檢測(cè)試紙、甲醛檢測(cè)儀等專用的空氣質(zhì)量檢測(cè)儀器設(shè)備發(fā)展迅速。目前，市場(chǎng)上的甲醛檢測(cè)方式多種多樣，其中較常見(jiàn)的是采用手持甲醛檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)，但目前市場(chǎng)上的手持甲醛檢測(cè)儀大多采用模擬甲醛傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，測(cè)量結(jié)果易受外界其他氣體、溫度及氣壓等因素干擾，測(cè)量精度低。據(jù)2019年“315晚會(huì)”報(bào)道可知，市場(chǎng)上的家用甲醛檢測(cè)儀90%都不合格，有些甲醛檢測(cè)儀的測(cè)量誤差更是高達(dá)200%。甲醛檢測(cè)儀的檢測(cè)精度會(huì)嚴(yán)重誤導(dǎo)消費(fèi)者對(duì)于室內(nèi)甲醛濃度情況的判斷，并可能給人們的身體健康帶來(lái)不可挽回的傷害。

本文設(shè)計(jì)一款檢測(cè)精準(zhǔn)度高、抗干擾能力強(qiáng)、適用范圍廣，同時(shí)，能根據(jù)不同的使用環(huán)境自行進(jìn)行溫度和氣壓補(bǔ)償，解決甲醛檢測(cè)裝置在不同環(huán)境下存在誤差的問(wèn)題迫在眉睫。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的甲醛檢測(cè)系統(tǒng)以AVR單片機(jī)ATmega328P為核心處理器。其中，甲醛氣體檢測(cè)模塊主要通過(guò)ZE08-CHO電化學(xué)甲醛傳感器采集當(dāng)前環(huán)境的甲醛值，并通過(guò)UART串口將甲醛濃度值發(fā)送給單片機(jī)。同時(shí)，數(shù)字溫度氣壓傳感器模塊負(fù)責(zé)采集當(dāng)前環(huán)境的溫度、氣壓等數(shù)據(jù)，并通過(guò)IC方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)。單片機(jī)接收到當(dāng)前環(huán)境的甲醛濃度值、氣壓值、溫度值后，會(huì)根據(jù)溫度氣壓補(bǔ)償公式：mg/m=/22.4×PPM×[273/（273+）]×（Ba/101 325） 修正當(dāng)前環(huán)境的甲醛濃度值，然后將處理好的甲醛值通過(guò)ESP8266串口轉(zhuǎn)WiFi無(wú)線模塊發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，完成甲醛值的實(shí)時(shí)采集、修正處理與遠(yuǎn)程顯示。當(dāng)甲醛濃度超過(guò)預(yù)設(shè)最大安全報(bào)警值時(shí)，手機(jī)APP會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)。甲醛檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)自帶溫度氣壓補(bǔ)償?shù)募兹z測(cè)系統(tǒng)框圖

1.1 ATmega328P單片機(jī)核心控制模塊

ATmega328P是ATMEL公司研發(fā)的增強(qiáng)型內(nèi)置FLASH的高性能、低功耗8位AVR單片機(jī)，可廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、工業(yè)實(shí)時(shí)控制、儀器儀表、通信設(shè)備、家用電器等領(lǐng)域。

ATmega328P單片機(jī)作為AVR單片機(jī)家族中的高端產(chǎn)品，采用哈弗結(jié)構(gòu)，具備1 MIPS/MHz（百萬(wàn)條指令每秒/兆赫茲）的高速運(yùn)行處理能力；采用RISC精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，優(yōu)先選取使用頻率最高的簡(jiǎn)單指令，并通過(guò)減少指令格式和尋址方式種類等縮短指令周期，進(jìn)而提高單片機(jī)的整體運(yùn)行速度。同時(shí)，ATmega328P單片機(jī)還含有自動(dòng)上電復(fù)位電路、獨(dú)立的看門狗電路、低電壓檢測(cè)電路、多個(gè)復(fù)位源、啟動(dòng)延時(shí)電路等，外圍電路簡(jiǎn)單，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。此外，AVR單片機(jī)具有多種省電休眠模式，可支持2.7～5 V寬電壓運(yùn)行，抗干擾能力強(qiáng)。圖2所示為ATmega328P外圍電路。

圖2 ATmega328P單片機(jī)外圍電路

1.2 甲醛氣體檢測(cè)模塊

圖3所示為ZE08-CHO電化學(xué)甲醛傳感器模塊電路，該模塊是一款高靈敏度、高分辨率、低功耗、使用壽命長(zhǎng)的小型化通用型氣體模組，可利用電化學(xué)原理對(duì)空氣中存在的甲醛、甲苯等有害氣體進(jìn)行檢測(cè)，氣體檢測(cè)分辨率≤0.01 ppm，量程范圍為0～5 ppm，響應(yīng)時(shí)間小于60 s，在-20～50 ℃的溫度范圍內(nèi)和15%RH～90%RH的濕度范圍內(nèi)都可正常工作。同時(shí)，該款甲醛氣體檢測(cè)模塊提供了UART、模擬電壓信號(hào)等輸出方式，同時(shí)兼?zhèn)? V TTL數(shù)字電平輸出與0.4～2 V模擬電壓輸出能力。

圖3 甲醛氣體檢測(cè)模塊電路

本文選用UART串口傳輸方式，其中，波特率為9 800 b/s，數(shù)據(jù)位8位，停止位1位，無(wú)校驗(yàn)位。此外，該款氣體檢測(cè)模塊內(nèi)置溫度傳感器，可進(jìn)行溫度補(bǔ)償，具有良好的穩(wěn)定性、卓越的線性輸出能力和優(yōu)秀的抗干擾能力，可廣泛應(yīng)用于便攜式儀表、空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備、空氣凈化器、新風(fēng)換氣系統(tǒng)、空調(diào)、智能家居設(shè)備等。

1.3 溫度氣壓傳感器模塊

圖4所示為MPL3115A2高精度智能數(shù)字溫度氣壓傳感器電路，MPL3115A2智能傳感器是飛思卡爾公司出品的一款多功能高精度數(shù)字傳感器，采用帶有IC接口的MEMS壓力傳感器和24位高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器，可以精確測(cè)量氣壓、海拔高度、溫度等數(shù)據(jù)，分辨率可低至1英尺/0.3 m，擁有2個(gè)可編程中斷引腳，內(nèi)置32個(gè)FIFO采樣緩沖區(qū)，能使用FIFO記錄長(zhǎng)達(dá)12天的數(shù)據(jù)，可自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，讀取完全補(bǔ)償后的20位壓力測(cè)量值（Pa），20位高度測(cè)量值（m），12個(gè)溫度測(cè)量值（℃），可廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)/平板電腦、電子測(cè)高、GPS航位推算、應(yīng)急服務(wù)的GPS增強(qiáng)功能、地圖輔助導(dǎo)航、氣象站等設(shè)備制造領(lǐng)域。

圖4 MPL3115A2電路

1.4 WiFi無(wú)線模塊

圖5所示為ESP8266串口轉(zhuǎn)WiFi無(wú)線模塊電路，該模塊采用安信可 ESP-01 802.11 b/g/n WiFi模組完成無(wú)線組網(wǎng)。該模塊采用低功率32位CPU，可兼做應(yīng)用處理器，主頻最高達(dá)160 MHz，支持UART、GPIO等接口，采用DIP-8封裝，方便焊接與測(cè)試，集成WiFi MAC/ BB/RF/PA/LNA，支持多種休眠模式，待機(jī)功耗低至1.0 mW，嵌有l(wèi)wIP協(xié)議棧，支持AP（路由器），STA（端點(diǎn)模式），AP+STA模式，可軟件切換，復(fù)位后新模式有效，支持Smart Config/AirKiss一鍵配網(wǎng)，串口速率最高可達(dá)4 Mb/s，通信距離約100 m。

圖5 ESP8266 WiFi無(wú)線模塊電路

ESP-01可廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)合，適用于家庭自動(dòng)化、工業(yè)無(wú)線控制、嬰兒監(jiān)控器、可穿戴電子產(chǎn)品、無(wú)線位置感知設(shè)備、無(wú)線定位系統(tǒng)信號(hào)以及其他物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

1.5 電源模塊

圖6所示為系統(tǒng)電源模塊電路，主要包含5 V供電模塊、5 V轉(zhuǎn)3.3 V模塊及電平互轉(zhuǎn)模塊和電源保護(hù)模塊。其中，5 V供電模塊主要為系統(tǒng)提供電源；5 V轉(zhuǎn)3.3 V模塊主要用于將 DC 5 V 轉(zhuǎn)換成 DC 3.3 V，為 ESP8266 串口轉(zhuǎn) WiFi無(wú)線透?jìng)髂K及MPL3115A2芯片模塊與信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊供電；5 V與3.3 V電平互轉(zhuǎn)模塊的作用是將5 V通信電平與3.3 V通信電平進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，防止5 V通信電平燒壞模塊；電源保護(hù)模塊用于保護(hù)電源與負(fù)載，通過(guò)200 mA自恢復(fù)保險(xiǎn)絲隔離電源與負(fù)載，當(dāng)負(fù)載電流過(guò)大時(shí)及時(shí)切斷電源。

圖6 5 V轉(zhuǎn)3.3 V電路設(shè)計(jì)

1.6 其他電路模塊

系統(tǒng)除上述核心模塊外，還有如下幾種輔助電路模塊：

（1）系統(tǒng)復(fù)位模塊：主要用于系統(tǒng)宕機(jī)時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位；

（2）系統(tǒng)時(shí)鐘模塊：主要為系統(tǒng)提供16 MHz的時(shí)鐘信號(hào)；

（3）ICSP接口模塊：主要用于單片機(jī)程序下載；

（4）IC通信模塊：主要為系統(tǒng)提供與外部模塊進(jìn)行IC通信的接口；

（5）UART通信模塊：主要為系統(tǒng)提供與外部模塊進(jìn)行UART通信的接口；

（6）觸摸按鍵模塊：主要在ESP8266首次配網(wǎng)時(shí)使用，通過(guò)檢測(cè)觸摸板上的電容值變化來(lái)判斷是否按下配網(wǎng)按鍵，當(dāng)按鍵按下后電容值會(huì)逐步超過(guò)設(shè)定值，進(jìn)而向ATmega328P單片機(jī)發(fā)出高電平，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入配網(wǎng)模式；

（7）新風(fēng)系統(tǒng)：主要用于加快甲醛傳感器附近的空氣循環(huán)流動(dòng)，使其更加接近測(cè)量環(huán)境的甲醛真實(shí)值。

圖7所示為系統(tǒng)觸摸按鍵模塊電路。

圖7 觸摸按鍵模塊電路

2 系統(tǒng)測(cè)試

完成系統(tǒng)的硬件電路搭建后，先進(jìn)行PCB電路板設(shè)計(jì)及元器件焊接，然后檢查電路焊接情況，查看有無(wú)虛焊、漏焊；完成電路焊接情況檢查后還需用萬(wàn)用表檢查關(guān)鍵元件的電壓、電流是否正常，檢查無(wú)誤后給ATmega328P單片機(jī)燒寫程序，最后進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)與測(cè)試。

在進(jìn)行首次配網(wǎng)時(shí)，首先需要手動(dòng)點(diǎn)擊觸摸按鍵IN2進(jìn)入系統(tǒng)配網(wǎng)模式，同時(shí)配網(wǎng)指示燈閃爍，用戶手機(jī)和手機(jī)APP加入到同一個(gè)WLAN環(huán)境后，用戶可以通過(guò)“一鍵配置”完成設(shè)備的自動(dòng)搜索與添加，設(shè)備添加成功后便可在手機(jī)APP自動(dòng)獲取當(dāng)前環(huán)境下的數(shù)據(jù)參數(shù)，但甲醛氣體檢測(cè)模塊需要預(yù)熱，預(yù)熱期間采集的數(shù)據(jù)有所波動(dòng)，預(yù)熱完成，數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定，系統(tǒng)會(huì)顯示所處環(huán)境中的甲醛值、溫度值、氣壓值、海拔值等信息，如圖8所示。在反復(fù)不斷對(duì)不同場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)試后，證明了該款基于自帶溫度氣壓補(bǔ)償?shù)募兹z測(cè)系統(tǒng)能夠有效、準(zhǔn)確地檢測(cè)各種復(fù)雜環(huán)境下的甲醛濃度，具有操作簡(jiǎn)便、檢測(cè)速度快、精準(zhǔn)度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

圖8 手機(jī)端系統(tǒng)顯示數(shù)據(jù)

3 創(chuàng)新點(diǎn)

目前，市場(chǎng)上的家用甲醛檢測(cè)儀普遍存在依靠自然空氣對(duì)流、無(wú)氣壓補(bǔ)償?shù)葐?wèn)題，導(dǎo)致甲醛測(cè)量結(jié)果與實(shí)際值存在較大誤差。在此基礎(chǔ)上，本文提出新一代自帶溫度氣壓補(bǔ)償與新風(fēng)系統(tǒng)的甲醛檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，相對(duì)現(xiàn)有的甲醛測(cè)試儀器，該系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性好，穩(wěn)定性強(qiáng)，功耗低，測(cè)量精度高，并可無(wú)差別應(yīng)用于各種環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。

（1）目前市面上的家用級(jí)甲醛檢測(cè)儀，大多忽視了氣體濃度除受溫濕度影響外還受氣壓影響這一關(guān)鍵因素，特別是我國(guó)地理環(huán)境極其復(fù)雜，如：西藏自治區(qū)日咯則市的氣壓為63.83 kPa，而廣東省廣東市的氣壓為100.45 kPa，氣壓差高達(dá)36%，而市面上的甲醛傳感器，正常工作范圍為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的±10%，一旦超出該范圍，測(cè)量精度將發(fā)生漂移。本文設(shè)計(jì)的甲醛檢測(cè)系統(tǒng)采用MPL3115A2氣壓傳感器配合ZE08-CHO甲醛檢測(cè)模塊進(jìn)行不同氣壓下的甲醛濃度檢測(cè)，并使用公式進(jìn)行換算，從而有效解決氣壓補(bǔ)償問(wèn)題，確保各類應(yīng)用環(huán)境下甲醛濃度檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（2）現(xiàn)有甲醛測(cè)試儀器均未考慮較大檢測(cè)環(huán)境下甲醛分布不均衡這一問(wèn)題，無(wú)新風(fēng)系統(tǒng)，完全依靠自然空氣對(duì)流。而本文設(shè)計(jì)的甲醛檢測(cè)系統(tǒng)自帶新風(fēng)系統(tǒng)，避免了氣體分布不均或者室內(nèi)空氣流動(dòng)慢易產(chǎn)生測(cè)量誤差這一問(wèn)題。

（3）本文設(shè)計(jì)的甲醛檢測(cè)系統(tǒng)可擺放在家內(nèi)任何位置，只需按下電源開關(guān)即可自動(dòng)工作，操作簡(jiǎn)單方便。此外，系統(tǒng)將通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)和蜂窩網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)上傳到手機(jī)端，方便用戶遠(yuǎn)程查看，同時(shí)支持歷史記錄回看等操作。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)自帶溫度氣壓補(bǔ)償?shù)募兹z測(cè)系統(tǒng)，以ATmega328P單片機(jī)為核心控制器，確保系統(tǒng)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和較高的靈活性，為后續(xù)進(jìn)行產(chǎn)品升級(jí)奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)采用ZE08-CHO電化學(xué)甲醛傳感器和MPL3115A2高精度氣壓溫度傳感器完成甲醛PPM值、溫度值及氣壓值的采集，確保采集數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。此外，系統(tǒng)配備的溫度補(bǔ)償功能和新風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)一步降低了氣壓、溫度等因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的干擾，使得檢測(cè)數(shù)據(jù)更加接近真實(shí)值。系統(tǒng)還可采用ESP8266串口轉(zhuǎn)WiFi無(wú)線模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可以讓系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)或移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離隨時(shí)隨地觀測(cè)。經(jīng)過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)具有高靈敏度、高分辨率、低功耗、抗干擾能力強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的研究?jī)r(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景。