間歇式低功耗多網點甲醛含量無線監測系統設計*

曾憲陽，楊紅莉，郁漢琪，褚南峰

（1.南京工程學院工業中心，南京211167；2.南京工程學院數理部，南京211167；3.南京大學數學系，南京210093）

間歇式低功耗多網點甲醛含量無線監測系統設計*

曾憲陽1，3*，楊紅莉2，郁漢琪1，褚南峰1

（1.南京工程學院工業中心，南京211167；2.南京工程學院數理部，南京211167；3.南京大學數學系，南京210093）

針對甲醛監測儀監測區域點固定、功耗高、性能單一等問題，設計了以MSP430單片機作為控制核心，多子機網點輔助監測，NRF24L01無線通信的甲醛監測裝置。提出間歇式數據采集方案以降低系統功耗，采用均值濾波器及擴展卡爾曼濾波器相結合的方式進行數據濾波，以保證數據的準確性。最終測試結果表明，系統能對甲醛高含量區域進行重點監測，其平均功耗僅為13.56 mW，且檢測誤差小于3%，主要適用于民用檢測場合。

電子技術；甲醛監測儀；MSP430單片機；低功耗；多網點；間歇式

隨著社會進步，越來越多的人對環境質量有了新的要求。文獻［1-2］提到新裝修的房間往往含有多種有害物質，其中最主要的是有毒氣體甲醛，直接影響人們的身體健康。文獻［3-5］描述的甲醛檢測系統多為單點測試，體積大、功耗高、檢測單一、價格昂貴，且不能自動對甲醛含量高的區域進行重點實時監測，這給用戶生活帶來不便。因此設計了一種間歇式低功耗多網點甲醛含量無線監控報警系統，給用戶生活帶來方便。

1 系統整體設計方案

系統整體方案框圖如圖1所示，設計多個子機系統分別測量房間對應區域甲醛含量數據，經卡爾曼濾波、數據處理后得到實際甲醛含量百分比，通過無線通信傳輸給主機，主機及時分析各房間的甲醛含量值，對于甲醛含量長時間未成減少趨勢的房間區域，將自動通知子機調整采樣時間來進行重點監測。當甲醛含量連續多天超過設定上限值時，主機還將發出報警提示用戶甲醛超標。

圖1 系統整體框圖

2 系統硬件電路設計

2.1 主機系統電路設計

系統主機電路原理圖如圖2所示，選用微功耗單片機MSP430F149作為主控芯片［6］；傳感器采用高精度模擬輸出的甲醛傳感器AQM201，其輸出模擬電壓范圍為0～5 V，設計了R4，R5電阻分壓網絡，使輸出電壓與單片機A/D轉換量程匹配。輸出信號接至單片機A/D轉換口P6.0；無線通信采用NRF24L01模塊［7］，電路如圖2中N1所示，第8腳為中斷請求輸出端，接至單片機的外部中斷P1.4口；顯示部分采用LCD12864液晶顯示器，采用串行接口以簡化電路，如圖2中U3所示；由4片EEPROM芯片24C512構成數據存儲裝置，用來定期保存各子機發來的數據，便于后期分析，電路如圖2中U4、U6、U7、U8所示；按鍵K0～K3接至單片機外部中斷引腳P1.0～P1.3，用來設置采樣時間、采樣間隔等信息。

圖2 主機系統電路原理圖

子機系統電路只包括單片機、傳感器、無線通信模塊，與主機系統電路類似，在此不再贅述。

2.2 系統低功耗設計

為降低系統功耗，在各功能模塊電源端增加了三極管開關控制，由于系統每隔數分鐘采集一次數據，空閑時間應將單片機設為休眠狀態，各功能模塊在非工作時間也應關閉電源。圖2中三極管Q2～Q5分別用作液晶顯示模塊、數據存儲模塊、甲醛傳感器模塊、無線通信模塊的電源開關。三極管基極由單片機IO口控制，當I/O口為低電平時三極管飽和導通，此時電源接通模塊開始工作，反之電源斷開模塊停止工作，盡可能將系統功耗設計到最低狀態。

2.3 電源模塊電路設計

系統中甲醛傳感器工作電壓為5 V，單片機及無線通信模塊工作電壓均為3.3 V，液晶LCD12864工作電壓為3.3 V～5.0 V，系統采用4節干電池供電，經穩壓芯片AMS1117_5V輸出5 V電壓，再經AMS1117_3V3輸出3.3 V電壓給對應電路供電，電路如圖3所示。

圖3 電源模塊電路

3 系統軟件設計

3.1 主機系統軟件設計

主機接收到各子機發來的數據后，經判別將數據分別存放在24C512芯片內，并在顯示屏上進行對應子機數據曲線顯示，如果數據超過報警極限值還將發出報警信號。此外，主機還需采集本機甲醛傳感器數據。因此主機要完成的任務有：本機數據采集、子機數據接收、數據存儲、數據顯示、傳感器數據采集、按鍵掃描、發送數據給上位機、報警等。根據任務的緊急性將數據接收、按鍵掃描任務均設置為外部中斷模式，并將數據接收設置為高優先級中斷。數據顯示、傳感器數據采集以及報警任務放在主程序中循環調用，因此主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主機系統主程序流程圖

3.2 子機系統軟件設計

在子機系統中，傳感器每隔一定時間采集一次數據，經卡爾曼濾波后，通過無線通信模塊發送給主機，同時子機實時準備接收主機發送過來的設置命令。因此子機系統任務包含數據采集、數據處理、數據發送、數據接收等幾個部分。由于無線接收任務屬于緊急任務，應由外部中斷服務程序來完成，其流程圖在此不再贅述。

3.3 間歇式數據采集方案及抗干擾措施

系統實際測量的數據存在誤差，其誤差來源主要有兩方面，一方面是儀器本身存在測量誤差；另一方面是環境帶來的干擾信號。系統將從兩方面濾去這些誤差干擾信號。

傳感器采集的數據首先采用平均值濾波濾去誤差數據。由于房間空氣流動使得某點甲醛含量存在不穩定性，實際數據采集過程中，在每個時間點上采集十次數據，去掉兩個極值后取平均，即得該時間點甲醛數據。其濾波過程如圖5所示。系統每隔10 min采集一次數據，其它時間處于微功耗休眠狀態，數據采集具有間歇性，這樣設計的目的可以最大限度的降低系統功耗。

平均值濾波后的數據再經擴展卡爾曼濾波器［8-11］進行二次濾波。卡爾曼濾波器是一個最優化自回歸數據處理算法，效率最高，它適用于線性、離散和有限維系統，包括機器人導航，控制，傳感器數據融合以及軍事雷達系統等。由于甲醛在室內空氣中的含量一般成連續變化趨勢，因此符合卡爾曼濾波器數據要求。

圖6為卡爾曼濾波前后房間甲醛含量隨時間變化曲線，可以看出，濾波前數據波動變化較大，存在隨機干擾信號，濾波后數據顯得平滑，能體現出甲醛含量的穩態變化趨勢。房間在初期甲醛含量超過國家標準0.08 mg/m3［12-13］，長時間開窗空氣流動后甲醛含量呈遞減趨勢，35 d以后房間甲醛含量已降低到0.06 mg/m3并有繼續下降趨勢，系統可對房間甲醛含量繼續檢測。

圖6 卡爾曼濾波前后房間甲醛含量隨時間變化曲線

3.4 系統主要程序

4 系統測試

4.1 系統精度測試

系統設計調試完畢后在新裝修房屋進行了測試，真值采用D3F型高精度甲醛檢測儀測得，測量時間為12 h。測量數據如圖7所示。從表格可以看出所設計的甲醛檢測儀相對D3F型高精度甲醛檢測儀相對誤差小于3%。誤差的主要來源主要有兩點，空氣中各區域甲醛濃度不均帶來測量誤差，另外測量儀器本身存在約1%～2%的測量誤差。

圖7 甲醛濃度測量值與真實值對比

4.2 間歇式工作方式及多子機網點測試

采用VICTOR 8245臺式數字多用表對系統瞬時功率進行測試，并在上位機軟件進行數據采集，形成瞬時功率時間曲線圖如圖8所示。主機功率主要體現在數據采集與處理、數據接收與顯示。子機功率主要體現在數據采集與處理、數據發送等。從圖8可以看出，系統瞬時功率在時間上具有間歇性，系統大部分時間處于微功耗狀態，所以系統平均功率極低。圖8主要展示了主機與4個子機網點進行通信時的情形，當子機網點增多時，主機接收數據頻繁功率將會稍有增大，但系統整體功耗仍然很低。

圖8 主機、子機系統瞬時功率曲線圖

4.3 系統低功耗測試

根據圖8得到的測量數據，計算得出子機系統最小功率為0.03 mW，主機系統最小功率為0.04 mW。當系統采集數據時各功能模塊電源接通，此時系統功耗最大，經測量得出子機最大功率為95.35 mW，主機在開液晶背光的情況下最大功率為135.21 mW。由于數據采集與處理在幾十個毫秒內即可完成，且初始化時間不超過2 s，設每十分鐘采集一次數據，則在十分鐘內只有不超過0.5 min時間功率達最大值，其它時間功率均為最小值，因此子機系統平均功率約為：（95.35×0.5+0.03×9.5）/10= 4.80 mW，主機開背光時平均功率約為：（135.21×1+ 0.04×9）/10=13.56 mW，若采用5號2 000 mA干電池4節供電，則子機系統連續工作時間可達5個月左右，主機系統可連續工作4個月左右。圖9為系統實物圖及實時監測曲線顯示。

圖9 系統主機、子機實物圖

5 結論

系統實現了對室內甲醛含量間歇式監控與報警監測，在數據采集可靠性、數據噪聲濾波方面給出了一定的分析及解決方法，采用了均值濾波器及擴展卡爾曼濾波器對采集到的數據進行濾波，保證了數據的準確性，其檢測精度高，相對誤差小于3%。系統功耗極低，若采用4節干電池供電，子機系統連續工作時間可達5個月以上，主機系統可連續工作4個月以上。該系統主要應用于室內甲醛氣體含量監測，也可用于電廠、化工、地下管道等施工環境監測，防止甲醛中毒事故發生。

［1］陳鳳娜，楊旭東.裝修材料和家具對室內甲醛污染影響的研究［J］.暖通空調，2016，46（3）：42-45.

［2］李華亮，李麗，熊德甫，等.某企業辦公室內空氣質量及其健康風險評估［J］.環境與職業醫學，2015，32（3）：240-243.

［3］陶佰睿，苗鳳娟，張琦，等.基于Pd-Ni/Si Nanowires電極室內甲醛實時監測處理裝置［J］.傳感技術學報，2012，25（6）：729-732.

［4］宋勝博，羅云林.基于STM8S的室內甲醛檢測系統設計［J］.電子器件，2015，38（1）：198-202.

［5］李楊，郭培源，劉波，等.基于嵌入式技術的居室健康環境監測系統［J］.電子技術應用，2014，40（8）：24-30.

［6］程艷，任勇峰，文豐，等.基于MSP430的低功耗溫濕度計設計［J］.電子器件，2015，38（2）：382-385.

［7］侯杏娜，陳壽宏，唐萬順.基于NRF24L01的降雨量實時采集無線監測系統［J］.計算機測量與控制，2014，22（8）：2372-2376.

［8］蔣鵬，宋華華，王興民.基于動態生成樹和改進不敏卡爾曼濾波的傳感器網絡目標跟蹤算法研究［J］.儀器儀表學報，2015，36（2）：415-421.

［9］楊理踐，李暉，周福寧.基于容積卡爾曼平滑濾波的管道缺陷定位技術［J］.傳感技術學報，2015，28（4）：591-597.

［10］周紅進，許江寧，劉強.擴展卡爾曼濾波應用于加速度計特性估計方法研究［J］.傳感技術學報，2008，21（7）：1286-1289.

［11］葉锃鋒，馮恩信.基于四元數和卡爾曼濾波的兩輪車姿態穩定方法［J］.傳感技術學報，2012，25（4）：524-528.

［12］何書申，趙兵濤，俞致遠.環境空氣質量國家標準的演變與比較［J］.中國環境監測，2014，30（4）：50-55.

［13］中華人民共和國國家標準環境空氣質量標準［S］.1996，6（4）：28-31.

曾憲陽（1979-），男，漢族，湖北隨州人，南京大學博士研究生，南京工程學院教師，主要研究方向為電子與通信，控制理論與控制工程等，zxy@njit.edu.cn；

楊紅莉（1980-），通信作者，女，漢族，江蘇靖江人，南京大學博士后，南京工程學院講師，主要研究方向為算法分析與設計，系統建模與仿真等，yanghongli1016@ 163.com。

Intermittent Low-Power Outlets Formaldehyde Content More Wireless Monitoring System Design*

ZENG Xianyang1，3*，YANG Hongli2，YU Hanqi1，CHU Nanfeng1
（1.Industry Center，Nanjing Institute of Technology，Nanjing 211167，China；2.Department of Mathematics and Physics，Nanjing Institute of Technology，Nanjing 211167，China；3.Department of Mathematics，Nanjing University，Nanjing 210093，China）

In view of the shortage and limitation of traditional formaldehyde monitor，such as fixed monitoring area，high power consumption and single performance，MSP430 microcontroller is used as control core and a NRF24L01 wireless communication device supported by multi machine network monitor is designed.The intermittent data collection program mentioned in this paper can reduce the power consumption of the system.The data filter algo?rithm is realized by combining the two different ways of the mean filter and the extended Kalman filter in order to guarantee the accuracy of the data.The test results show that this system can make key monitoring to high-density formaldehyde region（with average power consumption just 13.56 mW and detection error less than 3%）and that this system can be mainly applied for the civil detection.

electronic technology；formaldehyde monitor；MSP430 MCU；low power consumption；multiple outlets；intermittent

TP216+.1

A

1005-9490（2016）06-1467-05

7230L

10.3969/j.issn.1005-9490.2016.06.036

項目來源：南京工程學院青年基金重點項目（QKJA201404）；南京工程學院2014年校級教學改革項目（JG201440）；南京工程學院創新基金重大項目（CKJA201410）

2016-04-16 修改日期：2016-06-08