基于邊緣計算的甲醛檢測儀設計

摘 要：隨著時代發(fā)展，人們越來越重視生活品質(zhì)的提升，但是室內(nèi)各種家裝材料殘留的化學物質(zhì)影響嚴重居住人群的身體健康。為了避免甲醛濃度值超標而身處其中的人們毫無察覺，本文提出一種基于邊緣計算的甲醛檢測儀設計。該儀器以STM32F103C8T6為主控中心，利用傳感器實時檢測甲醛濃度。采用邊緣計算，將溫、濕度等因素相結合，來預測甲醛數(shù)據(jù)。試驗驗證了該儀器甲醛檢測數(shù)據(jù)準確度高，數(shù)據(jù)預測精度在普遍情況下相對準確。因此，本設計具有實時性高、準確性高、成本低和安全性高等優(yōu)點。

關鍵詞：邊緣計算；甲醛檢測；數(shù)據(jù)預測

中圖分類號：TP 212 " " 文獻標志碼：A

甲醛是一種常見的有毒、有害氣體，主要來源于家居裝修材料，長期工作、生活在甲醛環(huán)境中會嚴重威脅人體健康[1]，因此檢測室內(nèi)環(huán)境中甲醛的檢測尤為重要。現(xiàn)有市場上的手持式檢測儀精度高、攜帶方便且測量簡單，但是價格昂貴。傳統(tǒng)的甲醛檢測方法對檢測人員要求高，難以普及、應用[2]。因此需要一種價格合理、智能化、時效性和精確性兼?zhèn)涞脑O備，幫助用戶提前判斷并及時預防甲醛超標問題。本文提出的基于邊緣計算技術的新型甲醛檢測設備是一種便捷、可靠的工具，既可以有效節(jié)約云端資源，又可以高效利用本地資源，避免算力浪費，從而進一步提高設備的實用性。

1 方案設計

本文的甲醛檢測儀系統(tǒng)方案將STM32F103C8T6作為核心板，根據(jù)甲醛檢測中可能出現(xiàn)的影響因素確定傳感器選型。溫/濕度傳感器、甲醛傳感器采集實時數(shù)據(jù)，并通過相關算法對未來的數(shù)據(jù)進行預測和顯示，采用的三次指數(shù)平滑算法能降低服務器負載，并高效利用終端資源，以此更直觀地了解甲醛檢測狀態(tài)。

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件結構主要由單片機電路（MCU最小系統(tǒng)）、甲醛監(jiān)測電路、溫/濕度檢測電路、無線通信電路和數(shù)據(jù)顯示電路等組成，如圖1所示。

在圖1中，MCU最小系統(tǒng)為核心控制部分，用于對數(shù)據(jù)進行分析、處理；甲醛監(jiān)測電路用于采集周圍空氣中的甲醛濃度值；溫/濕度檢測電路用于采集影響甲醛濃度的環(huán)境參數(shù)；無線通信電路用于實時傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)顯示電路由圖形化界面顯示實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2.1 檢測模塊電路

2.1.1 溫/濕度檢測電路

為了實時監(jiān)測環(huán)境中的溫、濕度變化，并保證傳感器的穩(wěn)定性和精度[3]，需要選用性能穩(wěn)定、測量范圍適宜、接口簡單且價格合理的溫/濕度傳感器。本文選擇DHT11溫/濕度傳感器，DATA為傳感器的單總線數(shù)字信號輸出端，連接至單片機PB6引腳，根據(jù)單總線通信協(xié)議進行通信，并對溫、濕度進行數(shù)據(jù)采集，如圖2所示。

2.1.2 甲醛監(jiān)測電路

本文將SGP30傳感器作為甲醛檢測器件。SGP30傳感器是一款集成多種氣體傳感器的數(shù)字式空氣質(zhì)量傳感器，在測量甲醛氣體濃度方面具有高精度和可靠性[4]。甲醛監(jiān)測電路原理如圖3所示。SGP30模塊引出VCC、GND、SDA和SDL共4路引腳，模塊支持1.8 V～5 V電平，VCC和GND引腳分別接至+5 V和GND，將數(shù)據(jù)傳輸SDA引腳和同步時鐘信號SCL引腳分別與單片機PB1、PB0進行連接。將SDA作為數(shù)據(jù)線與模塊產(chǎn)生數(shù)據(jù)交互，SCL作為時鐘信號線產(chǎn)生同步時鐘脈沖，并完成數(shù)據(jù)獲取。

2.2 數(shù)據(jù)顯示電路

數(shù)據(jù)顯示電路原理如圖4所示。該電路分為觸摸部分和驅(qū)動顯示部分，T_IRQ～T_CLK為觸控通信引腳，連接單片機PA和PC口對應引腳。SDO～CS為驅(qū)動顯示屏所用引腳，連接PB口對應引腳，以此完成LCD液晶模組的觸控與顯示。系統(tǒng)采用軟件SPI通信方式，這是由STM32F103C8T6的引腳數(shù)量決定的，該方式雖然傳輸速率相對較低，但是可以保證在I/O口數(shù)量有限的情況下具有驅(qū)動顯示屏幕功能。

2.3 無線通信電路

無線通信電路采用ESP8266-01S WIFISOC模組，該模塊支持標準的IEEE802.11b/g/n協(xié)議[5]，內(nèi)置完整的TCP/IP協(xié)議棧，可以通過該模塊訪問云服務器端。無線通信電路原理如圖5所示，該模塊通過UART串口與STM32F103C8T6微控制器進行連接，發(fā)送引腳TXD、接收引腳RXD與單片機對應引腳交叉相連。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 算法設計

本算法以指數(shù)平滑預測法為基礎，再根據(jù)甲醛與溫、濕度關系比例[6]，與預測值相結合，從而得到準確的預測數(shù)據(jù)。在時間序列中，如果波動占優(yōu)，那么運用一次指數(shù)平滑模型；如果趨勢占優(yōu)，那么運用三次指數(shù)平滑模型；如果波動和趨勢相近，那么運用二次指數(shù)平滑模型[7]。一次指數(shù)平滑預測通式如公式（1）所示。

Ft+1=axt+（1-a）Ft "（1）

式中：Ft+1為（t+1）時刻的預測值；a為權值（也稱為平滑系數(shù)）；xt為t時刻實際值。

其中a越小，參考之前的時間點越多[8]；a越大，參考之前的時間點越少。

根據(jù)公式（1）進行迭代計算，可以得到公式（2）。

Ft+1=axt+（1-a）axt-1+（1-a）2axt-2+（1-a）3axt-3+...+（1-a）naxt-n+...+（1-a）tF1 " " " " " " （2）

新預測值基于預測誤差對原預期值進行修正獲取，a的大小證明了修正幅度[8]。a值愈大，修正幅度愈大，反之幅度愈小。因此，a值既能表示對時間序列數(shù)據(jù)變化的反應能力，又能體現(xiàn)出修正誤差能力。

當時間序列變化出現(xiàn)直線趨向時，使用一次指數(shù)平滑法進行預測具有明顯的滯后差異[9]，因此需要采取修正措施。具體方法是在一次指數(shù)平滑的基礎上再進行二次指數(shù)平滑，根據(jù)滯后偏差的規(guī)律分析出曲線的發(fā)展方向和趨勢，構建直線趨勢預測模型。二次指數(shù)平滑的計算過程如公式（3）所示。

（3）

如果時間序列變化顯示出二次曲線趨勢，那么需要采用三次指數(shù)平滑法進行預測，其計算過程如公式（4）所示。

（4）

基于上次預測再次迭代，并進行平滑計算，在不斷迭代平滑計算中使預測值更準確，最終完成甲醛檢測數(shù)據(jù)預測[7]。

3.2 程序設計

主程序設計包括系統(tǒng)的線性流程順序、各模塊初始化和中斷處理等方面。主程序需要完成對所有硬件外設的初始化設置，并調(diào)用各個功能模塊函數(shù)，其中甲醛檢測、溫/濕度檢測、算法執(zhí)行和無線通信等需要考慮優(yōu)先級順序、系統(tǒng)同步等關鍵問題。主程序流程如圖6所示。首先，在主程序的起始階段，初始化后對讀取的數(shù)據(jù)進行相應處理和轉(zhuǎn)換，與DHT11傳感器進行通信，獲取溫、濕度數(shù)據(jù)。輸出、顯示SGP30獲取的甲醛數(shù)據(jù)，同時將數(shù)據(jù)由串口或無線模塊發(fā)送至上位機或云端，以便進行進一步處理和存儲。其次，進行時間判斷，如果需要執(zhí)行預測算法，那么利用算法對檢測到的數(shù)據(jù)進行預測，并發(fā)送至LCD顯示預測數(shù)據(jù)。再次，對聯(lián)網(wǎng)進行判斷，如果沒有聯(lián)網(wǎng)，那么數(shù)據(jù)只顯示在本地，反之數(shù)據(jù)同時上傳至云端。最后，設置相應的延時和循環(huán)等待，以保證程序的穩(wěn)定運行和響應速度。

4 系統(tǒng)測試

4.1 甲醛檢測準確度測試

本測試準備了一個低濃度含醛的被測物，與一個精確度較高的市場同類設備進行比較。在測試過程中做好防護，防止有害氣體損害健康。使用含千分之一甲醛的溶液進行測試，試驗結果見表1。

本試驗分別在同等溫度、不同濕度下和不同溫度、相同濕度下進行比較，由表1數(shù)據(jù)可知，實測值和參照組所檢測的值幾乎一致，說明測量準確度符合設計要求。

4.2 甲醛數(shù)據(jù)預測準確度測試

在正常情況下，分別對5 min、30 min和60 min的預測數(shù)據(jù)進行準確度測試。首先，將溫度和濕度控制在一個相似的范圍內(nèi)，控制含甲醛物平緩地釋放甲醛氣體。其次，測試5 min、

30 min和60 min后預測的數(shù)據(jù)，分別見表2、表3。分析表2、表3數(shù)據(jù)可知，5 min后的預測數(shù)據(jù)是相對準確的，30 min和60 min后的預測數(shù)據(jù)稍有偏差，接近±0.005 mg/m3。

由上述試驗分析可知，在被測環(huán)境中，甲醛自然釋放狀態(tài)下的檢測數(shù)據(jù)準確度較高，甲醛數(shù)據(jù)預測精度在普遍情況下相對準確。

5 結論

本文提出了一種基于邊緣計算的甲醛檢測儀設計，該設計將甲醛傳感器、溫/濕度傳感器、數(shù)據(jù)顯示模塊和無線通信模塊等傳感器與嵌入式系統(tǒng)相結合，能夠?qū)崟r、準確地對甲醛濃度進行檢測和預測。試驗結果表明，本文設計具有較高的靈敏度和響應速度，能夠進行穩(wěn)定的甲醛濃度檢測。因此，本文設計具有較高的準確性和較好的效果應用，能夠滿足實際需求，具有較好的應用前景，尤其在家庭、辦公室等場所的甲醛檢測方面具有廣闊的應用前景。

參考文獻

[1]侯森.室內(nèi)環(huán)境甲醛的危害及控制措施探討[J].科技風，2019（32）：226.

[2]趙莉.淺析室內(nèi)環(huán)境中甲醛的危害及檢測[J].中國建材科技，2019，28（5）：39-42.

[3]高莉娜.基于基于嵌入式的車內(nèi)空氣質(zhì)量檢測儀的設計與實現(xiàn)[J].南方農(nóng)機，2022，53（10）：20-23.

[4]盧志強，姚鷙.空氣質(zhì)量傳感器在室內(nèi)甲醛和TVOC濃度監(jiān)測中的應用研究[J].清洗世界，2022，38（8）：58-60.

[5]夏侯如超.基于邊緣計算的室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測方法及其預測模型研究[D].上海：華東理工大學，2019.

[6]王善美，周曉雯.室內(nèi)墻涂料中的游離甲醛含量檢測技術研究[J].中國新技術新產(chǎn)品，2023（13）：68-70.

[7]徐齊利.回歸法設定指數(shù)平滑模型的最優(yōu)預測參數(shù)[J].統(tǒng)計學報，2021，2（4）：84-93.

[8]秦蒙等.基于物聯(lián)網(wǎng)自帶溫度氣壓補償?shù)募兹z測系統(tǒng)設計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術，2022，12（10）：24-27.

[9]羅磊，馬超，綦振華，等.居民住宅室內(nèi)甲醛現(xiàn)狀及溫、濕度影響分析[J].干旱環(huán)境監(jiān)測，2022，36（2）：81-87.