甲醛監(jiān)測儀設(shè)計及其低功耗研究

王晗　張陸鑫　金文清　徐強　汪斌

【摘 要】甲醛監(jiān)測儀旨在為室內(nèi)甲醛氣體檢測提供一種新型的監(jiān)測、管理方式，同時提高了甲醛監(jiān)測的現(xiàn)代化、自動化程度，彌補了目前對大多數(shù)室內(nèi)有毒氣體在管理上的不便。本文通過手機APP實時監(jiān)測室內(nèi)甲醛濃度，實現(xiàn)室內(nèi)甲醛濃度數(shù)據(jù)的在線實時監(jiān)測和傳輸，同時在電腦終端對采集數(shù)據(jù)進行處理，當(dāng)環(huán)境數(shù)據(jù)達到臨界指標(biāo)時自動報警，提示戶主做出應(yīng)對措施。該監(jiān)測儀有攜帶方便和讀數(shù)容易等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用到家居甲醛監(jiān)測中。

【關(guān)鍵詞】ZigBee；甲醛監(jiān)測；無線傳感網(wǎng)絡(luò)

【Abstract】This system is based on the ZigBee technology which can do a real-time detection about the concentration of formaldehyde. It is a new monitoring and management way to monitor formaldehydes concentration. This system can not only monitor and transmit the data but also dispose data with computer. When the concentration reaches the critical value， it can warn the homeowner. The detector has the advantages of convenient carrying and easy reading， and can be widely applied to the concentration of formaldehyde in the home.

【Key words】ZigBee； Formaldehyde monitoring； Wireless Sensor Networks

0 引言

近年來，隨著家庭居室和辦公室的裝修裝飾材料的廣泛使用，甲醛超標(biāo)導(dǎo)致的污染問題越來越嚴重。無色的甲醛氣體易誘發(fā)癌癥、哮喘等疾病，對人體健康造成較大傷害。因此，如何實現(xiàn)實時準(zhǔn)確的甲醛監(jiān)測成為家居環(huán)境污染監(jiān)測中的一個問題。此外，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷的創(chuàng)新發(fā)展、智能手機的普遍應(yīng)用，以及智能手機在物聯(lián)網(wǎng)的無線通信、物體識別和環(huán)境感知等方面的技術(shù)優(yōu)勢，使得智能手機成為物聯(lián)網(wǎng)最好的載體之一。該設(shè)計結(jié)合ZigBee技術(shù)和智能手機更高效地進行甲醛濃度的檢測，采用ZigBee終端和甲醛傳感器實時監(jiān)測甲醛濃度數(shù)據(jù)，并通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)送到服務(wù)器存儲濃度數(shù)據(jù)，同時通過運行在智能手機上的應(yīng)用軟件實時查詢甲醛濃度。本項目最終構(gòu)成的理想化智能甲醛監(jiān)測儀模型對比市面上大多數(shù)監(jiān)測儀而言，成本低、功耗低、便攜性強，對構(gòu)建綠色健康的智能家居生活有著良好的影響。

1 甲醛監(jiān)測儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文的甲醛監(jiān)測儀采用基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的解決方案，具體工作網(wǎng)絡(luò)以樹狀網(wǎng)絡(luò)的形式展開整個網(wǎng)絡(luò)。樹形網(wǎng)絡(luò)的終端為傳感器子節(jié)點，樹形網(wǎng)絡(luò)的匯聚端為根節(jié)點，傳感器節(jié)點如圖1所示：傳感器節(jié)點終端負責(zé)收集甲醛濃度數(shù)據(jù)，傳感器節(jié)點采用的主控制器為CC2530芯片，該芯片擁有RF收發(fā)器和增強型的8051單片機，選用的甲醛傳感器為ZE07-CH2O型甲醛傳感器，該甲醛傳感器具有功耗低、靈敏度高、操作性強等優(yōu)點[1]，其根據(jù)甲醛在電極作用下易氧化的特點，將空氣中不同濃度的甲醛轉(zhuǎn)化為不同強度的擴散電流，在經(jīng)放大電路將電流信號放大數(shù)倍，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)化將電路中的模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，傳至ZigBee節(jié)點。傳感器與帶有天線的ZigBee模塊連接，構(gòu)成數(shù)據(jù)的收集模塊。數(shù)據(jù)收集過程中，可能會有兩種情況產(chǎn)生誤差：一是，其他易因電極反應(yīng)氧化的氣體（如二氧化硫）會對實驗所收集到的數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，這里我們通過已知的氣體濃度，利用軟件消除該影響；二是，傳感器易受到其他電磁波的干擾，在調(diào)試階段，使裝置遠離干擾源也是實驗?zāi)苷_有效進行的保證。

當(dāng)傳感器節(jié)點在工作時，通過甲醛傳感器采集室內(nèi)的甲醛濃度，將收集到的數(shù)據(jù)通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換后送入8051單片機進行處理，然后將得到甲醛濃度數(shù)據(jù)通過射頻收發(fā)模塊傳輸?shù)狡渌膫鞲衅鞴?jié)點，并通過這些傳感器中繼節(jié)點傳輸?shù)竭h端的電腦服務(wù)器，實現(xiàn)傳感器節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)傳輸[2]。本系統(tǒng)采用了結(jié)構(gòu)較為簡單的8051單片機，操作方便，適于該項目的初步研究。其中傳感器節(jié)點軟件基于Z-stack的協(xié)議棧編寫，采用串口讀取甲醛傳感器濃度數(shù)據(jù)，并調(diào)用API函數(shù)通過RF收發(fā)模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。

本文的無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示，該系統(tǒng)將無線傳感網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成樹狀網(wǎng)絡(luò)，每個子節(jié)點將在不同位置采集到的數(shù)據(jù)信息通過傳感網(wǎng)絡(luò)傳送到各子節(jié)點所對應(yīng)的路由節(jié)點，路由節(jié)點將整合好的數(shù)據(jù)信息傳送到根節(jié)點，根節(jié)點通過發(fā)送AT指令，將整合后的數(shù)據(jù)信息傳送至與之相連的GPRS模塊，此時GPRS模塊通過互聯(lián)網(wǎng)將信息傳送至遠端電腦服務(wù)器端。與服務(wù)器相關(guān)聯(lián)的智能手機可通過預(yù)設(shè)的軟件下載對應(yīng)的環(huán)境參數(shù)，達到實時監(jiān)測的目的[3]。同時，用戶可以根據(jù)實際情況，在智能手機上設(shè)置報警的甲醛濃度值。其中，手機上的應(yīng)用程序采用JAVA語言編寫，通過應(yīng)用程序的查詢功能可以實時查詢每個傳感器節(jié)點的甲醛濃度信息，同時可以對每個節(jié)點設(shè)置報警濃度值，當(dāng)傳感器節(jié)點甲醛濃度超過報警濃度值時，通過連接到服務(wù)器的短信收發(fā)模塊發(fā)送短信到智能手機，對用戶進行濃度超標(biāo)提醒。同時系統(tǒng)會根據(jù)實驗環(huán)境的需要，在各個傳感器節(jié)點設(shè)計一個時間段，如果在這個時間段內(nèi)，甲醛濃度值一直高于預(yù)設(shè)的報警濃度值，此時短信收發(fā)模塊才會將報警短信發(fā)送至智能手機上。這樣的設(shè)計避免了因數(shù)據(jù)測量誤差引起的無效報警，提高了系統(tǒng)的靈活性和容錯性。

2 低功耗設(shè)計

在實際工作場合中，由于傳感器節(jié)點需要使用電池供能，傳感器節(jié)點的功耗決定了其使用壽命，所以如何降低傳感器節(jié)點功耗，使傳感器工作時間得以增長成為該系統(tǒng)設(shè)計的方向。在自動化的甲醛監(jiān)測設(shè)備中，其終端設(shè)備主要為對應(yīng)的ZE07-CH2O型甲醛傳感器及其A/D轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成。為了得到在室內(nèi)甲醛濃度的實際情況，需要測量室內(nèi)多個點的甲醛濃度參數(shù)。由于各種環(huán)境因素的影響，部分元器件會出現(xiàn)傳感器失效的情況，最后導(dǎo)致收集到錯誤不準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。所以在甲醛濃度的參數(shù)檢測的過程中，可采取位置比較相近的傳感設(shè)備測得的參數(shù)值來對每個點來判斷獲取的數(shù)據(jù)是否正確并加以修正。另外，在一些環(huán)境較為惡劣的情況下，如果兩個傳感器節(jié)點位置比較相近的情況下，采取傳感器節(jié)點交替工作的形式，使元器件可以在較特殊的環(huán)境下延長工作時間，同時也達到低功耗節(jié)能的目的。

具體實現(xiàn)過程如下：在傳感器模塊開始正式監(jiān)測前，將放置在室內(nèi)的多個位置相近放置傳感設(shè)備全部打開，執(zhí)行初期的數(shù)據(jù)采集，用之作為下階段數(shù)據(jù)對比的依據(jù)，電腦端收集到的數(shù)據(jù)信息采用MATLAB進行分析與對比。若處于室內(nèi)不同方位的傳感設(shè)備，位置相近的兩個傳感設(shè)備獲得的甲醛濃度相同或相近，由此判定該區(qū)域內(nèi)的相關(guān)環(huán)境物理量相似，可以隨機關(guān)閉其中一個傳感設(shè)備。經(jīng)過一段時間后，打開關(guān)閉的傳感設(shè)備，若數(shù)據(jù)發(fā)生變化，則認定此時兩個設(shè)備所處環(huán)境的甲醛濃度不同，則需要將兩個設(shè)備同時打開[4]。這樣的設(shè)計可以使傳感設(shè)備間歇工作，同時也可以得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)處理量，達到低耗節(jié)能的目的。

3 結(jié)語

甲醛監(jiān)測儀與智能手機的結(jié)合，讓原本單一的甲醛監(jiān)測儀變得更加智能化、網(wǎng)絡(luò)化，手機通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)即可獲得相應(yīng)的甲醛監(jiān)測儀上的數(shù)據(jù)，讓其操作變得更加簡便，智能手機上應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)處理可以更直觀的觀察甲醛濃度的變化情況，同時預(yù)設(shè)的報警裝置可以給戶主提供良好的環(huán)境保證。這種無線傳感網(wǎng)絡(luò)與智能家居的結(jié)合不僅提高了甲醛監(jiān)測儀的工作能力，也體現(xiàn)了其低耗性的特點。并且該系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于生活中，對構(gòu)建綠色環(huán)保的低碳生活，提高人們生活質(zhì)量有著良好的影響。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]