基于單片機(jī)的家居環(huán)境監(jiān)測器設(shè)計研究

摘" 要：該文提出一套基于單片機(jī)的家居環(huán)境監(jiān)測器的設(shè)計方案。以STC89C516單片機(jī)作為主控模塊，使用霍爾傳感器、蓋革計數(shù)管和甲醛傳感器作為數(shù)據(jù)采集模塊，實(shí)時獲取室內(nèi)電磁輻射強(qiáng)度、電離輻射劑量率和甲醛濃度的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并通過GPRS通信模塊，將3項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)以短信方式向房主手機(jī)定時發(fā)送。初步測試中，在系統(tǒng)程序指定手機(jī)上成功接收到3項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，均值分別為4.61 mT、1.037 2 mSv/y和0.049 9 mg/m3。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)總體設(shè)計合理、各功能模塊運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)實(shí)時監(jiān)測的預(yù)期目標(biāo)，可應(yīng)用于家居環(huán)境的監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；通用分組無線服務(wù)；環(huán)境監(jiān)測；系統(tǒng)設(shè)計；監(jiān)測器

中圖分類號：TP368.1" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）36-0038-05

Abstract： Based on Microcontroller Unit technology， a design scheme of Home Environment monitor was proposed. In this system， STC89C516 MCU was used as the main control module. Hall sensor， Geiger counter tube and formaldehyde sensor were used as data acquisition modules to obtain electromagnetic radiation intensity， ionizing radiation dose rate and indoor formaldehyde concentration data in real time. GPRS communication module was used to send the real-time monitoring data to homeowner regularly by mobile short message. In the test experiments， short messages of the monitoring data were successfully received by the designated mobile telephone in the computer program. The average values of electromagnetic radiation intensity， ionizing radiation dose rate and indoor formaldehyde concentration were 4.61 mT， 1.037 2 mSv/y and 0.049 9 mg/m3. The test results show that the design schemeis reasonable， operation of each functional module is stable and expected function of real-time multi-parameter monitoring is achieved. This system can be applied to the home environment monitoring.

Keywords： Microcontroller Unit（MCU）; General Packet Radio Service; environment monitoring; system design; monitor

近年來，隨著全社會環(huán)保意識的日益增強(qiáng)，人們對于日常家居環(huán)境、特別是裝修以后居室內(nèi)的環(huán)境健康越來越重視。目前在市場上銷售的針對家居環(huán)境參數(shù)監(jiān)測的產(chǎn)品很少，相關(guān)研究工作大多是監(jiān)測溫度、濕度和光照強(qiáng)度等與居室生活舒適度相關(guān)的參數(shù)[1-3]，而對于嚴(yán)重影響人體生理健康的電磁輻射[4]、甲醛濃度[5]和放射性污染[6-7]等環(huán)境參數(shù)的關(guān)注較少。同時，相關(guān)研究工作在構(gòu)建監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)上較復(fù)雜[1-3]，運(yùn)行穩(wěn)定性不高，應(yīng)用推廣的成本支出較大。

本文基于單片機(jī)（MCU）技術(shù)，開展了具有多參數(shù)實(shí)時監(jiān)測功能的復(fù)合型家居環(huán)境監(jiān)測器的設(shè)計研究工作。系統(tǒng)以嚴(yán)重影響家居環(huán)境健康的室內(nèi)電磁輻射強(qiáng)度、電離輻射劑量率和甲醛濃度等3項(xiàng)指標(biāo)作為監(jiān)測對象，并且應(yīng)用通用分組無線服務(wù)（GPRS）技術(shù)[8]，以定時發(fā)送的方式，將監(jiān)測數(shù)據(jù)以短信形式發(fā)送到房主手機(jī)。在目前家居環(huán)境監(jiān)測產(chǎn)品的銷售市場中，尚無具備上述功能的同類產(chǎn)品。因此，本項(xiàng)目的設(shè)計研究工作具有一定的市場應(yīng)用推廣價值。

1" 系統(tǒng)總體設(shè)計

監(jiān)測器的總體結(jié)構(gòu)是由數(shù)據(jù)采集單元、主控單元及遠(yuǎn)程傳輸單元等3個主要功能模塊組成，如圖1所示。其中，數(shù)據(jù)采集單元包括了電磁輻射探測器、電離輻射探測器和甲醛探測器，分別用于測量居室內(nèi)的電磁輻射強(qiáng)度、電離輻射劑量率和甲醛濃度。遠(yuǎn)程傳輸單元通過GPRS模塊實(shí)現(xiàn)將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過短信方式發(fā)送到房主的手機(jī)?？刂茊卧窍到y(tǒng)的核心部件，采用STC89C516單片機(jī)[9-10]來實(shí)現(xiàn)主要控制功能：①控制各個探測器定時采集和上傳監(jiān)測數(shù)據(jù)；②控制GPRS模塊，向指定手機(jī)發(fā)送含監(jiān)測數(shù)據(jù)的短信。

2" 硬件設(shè)計

2.1" 主控單元

系統(tǒng)選用STC公司的89C516型單片機(jī)作為控制單元部件，該單片機(jī)具有64 KB的 Flash存儲器和128字節(jié)隨機(jī)存取存儲器（RAM），可實(shí)現(xiàn)在線系統(tǒng)串口編程（In System Programmable，ISP）功能。它的中央處理器芯片具有40個引腳，其中有32個I/O口可供用戶使用[11]，如圖2所示。通過單片機(jī)芯片的通用輸入輸出引腳、中斷功能引腳和串行通信功能引腳，分別與數(shù)據(jù)采集單元中的各個探測器及GPRS模塊相連接，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對于數(shù)據(jù)采集單元和遠(yuǎn)程傳輸單元的運(yùn)行控制。

根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計方案，GPRS模塊和數(shù)據(jù)采集單元中的各個探測器，與單片機(jī)芯片引腳的連接配置如下：①單片機(jī)芯片中具有串口功能的2個引腳P3.0和P3.1連接GPRS模塊，通過串口方式向GPRS模塊傳輸數(shù)據(jù)，并控制GPRS模塊對外發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)短信；②單片機(jī)具有中斷功能的2個引腳P3.2和P3.3，分別連接電離輻射探測器和甲醛探測器；③使用單片機(jī)的通用I/O引腳P3.7通過A/D轉(zhuǎn)換模塊連接電磁輻射探測器。

2.2" 數(shù)據(jù)采集單元

2.2.1" 電磁輻射探測器的選型分析

電磁輻射探測器主要針對磁場強(qiáng)度作監(jiān)測，選用線性型霍爾傳感器[12]進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。線性型霍爾傳感器是將霍爾元件、放大器、穩(wěn)壓器和溫度補(bǔ)償電路[13]等制作在一塊芯片上的集成電路器件。其中，霍爾元件可將磁場強(qiáng)度信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，即

U=BIRH/d ，" （1）

式中：B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；RH為霍爾系數(shù)；I為霍爾元件中的電流強(qiáng)度；d為霍爾元件的厚度?；魻栂禂?shù)的取值決定于制作霍爾元件半導(dǎo)體材料的屬性。

霍爾元件產(chǎn)生的模擬電壓信號較微弱，須經(jīng)放大整形處理后才能輸出[12]。進(jìn)行測量之前，需要先標(biāo)定出磁場強(qiáng)度為零時的基準(zhǔn)電壓，測量時再根據(jù)實(shí)際輸出電壓與基準(zhǔn)電壓的比值，來獲取探測到的磁場強(qiáng)度值。系統(tǒng)選用線性型霍爾傳感器產(chǎn)品，設(shè)定2.5 V為基準(zhǔn)電壓且設(shè)定輸出電壓每變化14 mV，對應(yīng)于磁場強(qiáng)度變化1 mT。將單片機(jī)芯片的P3.7引腳通過A/D轉(zhuǎn)模塊與傳感器的模擬電壓信號輸出接口連接，即可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對于傳感器輸出電壓信號的讀取，再通過單片機(jī)中程序代碼的運(yùn)行，換算得出所監(jiān)測到的磁場強(qiáng)度值。

2.2.2" 電離輻射探測器的選型分析

電離輻射信號的采集，選用蓋革計數(shù)管[14]。在蓋革計數(shù)管的陰極和陽極之間，加上適當(dāng)工作電壓后可形成柱狀對稱電場。當(dāng)環(huán)境中的輻射射線粒子進(jìn)入蓋革計數(shù)管以后，管內(nèi)的惰性氣體被電離。負(fù)離子由陽極吸引并移向陽極，與其他氣體分子碰撞后產(chǎn)生多個次級電子，快到陽極時次級電子急劇倍增產(chǎn)生雪崩現(xiàn)象，發(fā)生放電并輸出脈沖信號。入射輻射射線的粒子束強(qiáng)度越強(qiáng)，單位時間內(nèi)輸出的脈沖個數(shù)就越多。蓋革計數(shù)管在使用之前，通常需要先用放射性活度已知的輻射源做標(biāo)定，確定出單位時間內(nèi)的脈沖計數(shù)與輻射劑量率之間的換算函數(shù)。

系統(tǒng)所選用的蓋革計數(shù)管，經(jīng)過標(biāo)定以后，其換算函數(shù)如下

17nCPM=1 mSv/y" "， （2）

式中：nCPM表示蓋革計數(shù)管每分鐘的脈沖計數(shù)；mSv/y是輻射劑量率的一種計量單位，它表示1微希沃特每年。根據(jù)公式（2），將蓋革計數(shù)管每分鐘計數(shù)率的數(shù)值，除以換算系數(shù)17，即可換算出以mSv/y為計量單位的輻射劑量率的數(shù)值。

蓋革計數(shù)管輸出的初始脈沖信號，不能直接被單片機(jī)讀取識別，需經(jīng)過放大成形電路處理形成方波脈沖信號以后，才能夠輸入到單片機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確地脈沖計數(shù)，如圖3所示。通過與具有中斷功能的單片機(jī)芯片引腳P3.2連接，方波脈沖信號輸入到單片機(jī)，進(jìn)行脈沖計數(shù)和脈沖計數(shù)與輻射劑量率的換算。

2.2.3" 甲醛探測器的選型分析

甲醛氣體監(jiān)測選用的是基于電化學(xué)原理[15]工作的甲醛傳感器。電化學(xué)型甲醛傳感器的核心模塊是由膜電極和電解液封裝而成，甲醛氣體通過與電解液發(fā)生反應(yīng)，將電解液分解成陰陽帶電離子后，在膜電極上以電信號的形式輸出，通過檢測輸出電信號的強(qiáng)度，即可獲取所監(jiān)測的甲醛氣體濃度值。與其他檢測方式相比，電化學(xué)傳感器具有抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[16]。

本系統(tǒng)所選用的甲醛傳感器，在其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中已集成了數(shù)據(jù)處理電路，具有數(shù)字信號輸出功能，將甲醛傳感器數(shù)據(jù)輸出管腳與單片機(jī)具有中斷功能的P3.3引腳連接，即可獲取甲醛傳感器的輸出數(shù)據(jù)。

2.3" 遠(yuǎn)程傳輸單元

單片機(jī)在獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)以后，可以控制GPRS模塊向指定號碼的手機(jī)遠(yuǎn)程發(fā)送數(shù)據(jù)。GPRS模塊選用SIMCom公司生產(chǎn)的SIM900A型GPRS模塊產(chǎn)品[17]，其芯片引腳如圖4所示。該款產(chǎn)品內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，采用通用異步收發(fā)傳輸（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。同時，該產(chǎn)品還支持手機(jī)SIM卡和AT指令集，可使用AT指令控制SIM900A模塊接收用戶指令并發(fā)送終端數(shù)據(jù)包。

系統(tǒng)使用單片機(jī)芯片的P3.0和P3.1引腳，分別連接GPRS模塊的TXD_O和RXD_I引腳，通過P3.1引腳向GPRS模塊發(fā)送字節(jié)型的控制指令和監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)兩者之間的異步串行通信。

3" 軟件設(shè)計

系統(tǒng)的主程序流程如圖5所示，系統(tǒng)啟動以后，首先是各個探測器和GPRS模塊的初始化，然后開始執(zhí)行主程序循環(huán)。在主程序循環(huán)中，首先是單片機(jī)向各個探測器發(fā)送測量指令，各個探測器開始測量，同時計時器開始計時。

各個探測器將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)返回給單片機(jī)處理，并保存在單片機(jī)存儲器的數(shù)組中，然后單片機(jī)執(zhí)行判斷語句，將監(jiān)測數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定監(jiān)測閾值作比較。如果實(shí)測數(shù)值超標(biāo)，就調(diào)用執(zhí)行GPRS模塊子程序；不超標(biāo)就繼續(xù)執(zhí)行下一條判斷語句，比較計時器的計時時間是否達(dá)到預(yù)先設(shè)定的定時時間，若達(dá)到定時時間，也將調(diào)用GPRS模塊子程序，若沒有達(dá)到定時時間，就返回執(zhí)行主程序循環(huán)。

GPRS模塊子程序的功能是啟動GPRS模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，向系統(tǒng)中已經(jīng)預(yù)設(shè)號碼的手機(jī)發(fā)送短信。若實(shí)測數(shù)值小于閾值且監(jiān)測計時小于定時時間，就不調(diào)用GPRS模塊子程序，再次執(zhí)行主程序循環(huán)，通過程序循環(huán)來實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的實(shí)時動態(tài)監(jiān)測。

4" 測試實(shí)驗(yàn)與分析

在完成系統(tǒng)軟硬件設(shè)計及各個傳感器選型后，將單片機(jī)、各探測器單元模塊和GPRS模塊等硬件部件進(jìn)行接線焊接和組裝，構(gòu)成了一套實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)，以驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計方案的可行性和可靠性。測試開始之前，已將中國移動通信集團(tuán)有限公司的SIM卡裝入GPRS模塊的卡槽內(nèi)，并在GPRS模塊子程序代碼中預(yù)置了接收監(jiān)測數(shù)據(jù)手機(jī)的號碼。

測試分為2個環(huán)節(jié)進(jìn)行。在第一個環(huán)節(jié)中，將主程序中各個探測器的監(jiān)測閾值均設(shè)置為零，用以測試系統(tǒng)在監(jiān)測數(shù)據(jù)超標(biāo)時的運(yùn)行情況；在第二個環(huán)節(jié)中，將主程序中各個探測器的監(jiān)測閾值都設(shè)定為一個較大值，測試系統(tǒng)的定時發(fā)送功能。在上述2項(xiàng)測試中，GPRS子程序均可正常運(yùn)行，在手機(jī)端都成功接收到了監(jiān)測數(shù)據(jù)。

表1是在定時發(fā)送功能測試環(huán)節(jié)中接收到的一組數(shù)據(jù)。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)各主要功能模塊，均可正常協(xié)同工作，初步實(shí)現(xiàn)了開展多參數(shù)實(shí)時監(jiān)測的設(shè)計要求。

經(jīng)過計算，表1中所記錄的甲醛濃度測量均值為0.049 9 mg/m3，小于GB/T 18883—2002《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[18]中規(guī)定的室內(nèi)空氣甲醛濃度的標(biāo)準(zhǔn)值0.1 mg/m3；輻射劑量率的測量均值為1.037 2 mSv/y與天然輻射本底水平[19]相當(dāng)，且小于GB 18871—2002《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》[20]中規(guī)定的劑量率限值，表明這2項(xiàng)測試數(shù)據(jù)的可靠性和有效性。磁場強(qiáng)度數(shù)據(jù)均值為4.61 mT，與現(xiàn)行GB 8702—2014《電磁環(huán)境控制值》國家標(biāo)準(zhǔn)[21]中規(guī)定的控制限值相比，有一定超標(biāo)。初步分析原因，主要有以下2個方面。

交變電磁場是一種三維矢量場，霍爾傳感器中霍爾元件放置的方位不同，會對測量數(shù)據(jù)的精確度產(chǎn)生一定影響。為此，下一步將考慮采用多個霍爾傳感器組成三維探測陣列的方法來加以解決。

系統(tǒng)選用的霍爾傳感器，在測量交變電磁場時，有一定的局限性，對于不同頻率范圍的電磁場，霍爾元件產(chǎn)生了頻率響應(yīng)[22]，影響了測量的精度。因此，需要針對霍爾傳感器的信號獲取電路，做進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn)。

5" 結(jié)論

本文介紹了一種復(fù)合型家居環(huán)境監(jiān)測器的設(shè)計和研究工作。在設(shè)計中，使用單片機(jī)控制多個傳感器及功能部件的協(xié)同工作，利用比較成熟的GPRS技術(shù)，通過單片機(jī)驅(qū)動GPRS無線通信模塊，實(shí)現(xiàn)了多個監(jiān)測參數(shù)的定時遠(yuǎn)程傳輸。初步測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定，基本達(dá)到了設(shè)計要求，可以滿足對家居環(huán)境開展多參數(shù)實(shí)時監(jiān)測的功能需求。并且，系統(tǒng)整體在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上較為簡單，總體造價較低，安裝和使用也較為簡便，因此具有一定應(yīng)用價值。

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