基于云存儲(chǔ)的室內(nèi)甲醛監(jiān)測(cè)儀的研究

摘 要：本系統(tǒng)是基于STC15為核心的單片機(jī)，通過(guò)MQ138采集數(shù)據(jù)，經(jīng)由AD轉(zhuǎn)換成數(shù)值，如果該值超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（0.08mg/m3），則SIM300會(huì)向用戶指定的手機(jī)發(fā)送短信，蜂鳴器還會(huì)進(jìn)行報(bào)警，與此同時(shí)該數(shù)據(jù)還會(huì)經(jīng)過(guò)W5100傳送至云端，供客戶查詢使用。

關(guān)鍵詞：STC15；MQ138；SIM300；W5100

引言

甲醛是一種危害性極大，對(duì)人體極為不利的一種有機(jī)溶劑。它的來(lái)源比較復(fù)雜，主要來(lái)自于建筑版材，新裝修的房子里一般甲醛都會(huì)超標(biāo)。經(jīng)常吸入少量甲醛，會(huì)有頭痛、乏力、失眠及植物神經(jīng)紊亂等癥狀。能引起慢性中毒，甲醛已成為室內(nèi)空氣的主要污染物，被世衛(wèi)組織確定為致癌和致畸形物質(zhì)。在所有接觸者中，兒童和孕婦對(duì)甲醛尤為敏感。調(diào)查數(shù)據(jù)表明，在城市兒童白血病患者中，90%的家庭一年內(nèi)進(jìn)行過(guò)室內(nèi)裝修。因此了解室內(nèi)生活中甲醛含量以及如何預(yù)防具有重大意義。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)以STC15單片機(jī)為核心，利用MQ-138傳感器采集環(huán)境中的甲醛含量，經(jīng)過(guò)ADC0809轉(zhuǎn)換器對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后在顯示器LCD12864上面顯示，如果采集的值超過(guò)我們指定的標(biāo)準(zhǔn)，一方面通過(guò)SIM300給手機(jī)發(fā)送短信，另一方面還會(huì)通過(guò)報(bào)警器實(shí)行報(bào)警，最后將采集的所有有效數(shù)據(jù)通過(guò)W5100網(wǎng)絡(luò)模塊傳送到云端，加以保存，以便我們隨時(shí)可以查閱以前的數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)原理的結(jié)構(gòu)圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

（1）W5100是多功能的網(wǎng)絡(luò)接口芯片，內(nèi)部集成了10/100Mbps 以太網(wǎng)控制器，主要應(yīng)用于高集成、高性能、高穩(wěn)定和低成本的嵌入式系統(tǒng)中。W5100與IEEE802.3 10BASE-T和802.3u 100BASE-TX兼容。W5100內(nèi)部集成了全硬件的、且經(jīng)過(guò)多年市場(chǎng)驗(yàn)證的 TCP/IP協(xié)議棧、以太網(wǎng)介質(zhì)傳輸層（MAC）和物理層（PHY）。W5100內(nèi)部還集成有16KB存儲(chǔ)器用于數(shù)據(jù)傳輸。使用W5100不需要考慮以太網(wǎng)的控制，只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的端口編程。如下實(shí)例：

（2）MQ-138是半導(dǎo)體氣敏原件，它的檢測(cè)濃度范圍是5-500ppm，基本測(cè)試回路如圖2所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后由一個(gè)系統(tǒng)初始化，當(dāng)一切都具備之后，Mq138開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，ADC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后，一方面直接經(jīng)過(guò)路由器傳到云端，是利用跨平臺(tái)的java語(yǔ)言寫(xiě)的web網(wǎng)頁(yè)前端，mysql語(yǔ)句操作后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，當(dāng)軟件接收到W5100通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)包后，進(jìn)行解壓分組，用數(shù)據(jù)庫(kù)語(yǔ)句處理分組后的數(shù)據(jù)，判斷是否合理，如果合理則存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，否則丟棄。我們還進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理畫(huà)出對(duì)應(yīng)的折線圖，以便客戶更好地了解室內(nèi)環(huán)境各物質(zhì)濃度的變化情況，另一方面判斷采集的數(shù)據(jù)是否超過(guò)了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，如果超過(guò)，則初始化SIM300，發(fā)短信給對(duì)應(yīng)的用戶，蜂鳴器開(kāi)啟進(jìn)行報(bào)警。最后將采集的數(shù)據(jù)在本地保留一份，繼續(xù)循環(huán)，該系統(tǒng)具體原理圖如圖3所示。

4 甲醛含量的計(jì)算方式

濃度單位ppm與mg/m3的換算：

質(zhì)量濃度mg/m3=M氣體分子量/22.4*ppm數(shù)*[273/（273+T氣體溫度）]*（Ba壓力/101325）

M為氣體分子量，ppm為測(cè)定的體積濃度值，T為溫度、Ba為壓力。

甲醛HCHO氣體分子量為30.0260。

硬件采集的數(shù)據(jù)也會(huì)有偶然誤差，效果不是百分之百的準(zhǔn)確，為了解決這個(gè)問(wèn)題，我用了數(shù)字濾波算法和算術(shù)平均值濾波算法，有效地提高了數(shù)據(jù)的可靠性和真實(shí)性。我們對(duì)此進(jìn)行了簡(jiǎn)單測(cè)試，總共獲取了十六組數(shù)據(jù)，每組連續(xù)采集5個(gè)樣本，存在數(shù)組中，數(shù)組的長(zhǎng)度為5，然后去除其中的最大值和最小值而取剩余的3個(gè)A/D 轉(zhuǎn)換值的平均值，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

實(shí)驗(yàn)證明，在沒(méi)有濾波前，系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生偶然誤差，傳感器讀數(shù)波動(dòng)較大；采用濾波后，傳感器讀數(shù)波動(dòng)明顯減小，特別是變化緩慢的環(huán)境下，讀數(shù)基本保持穩(wěn)定，自動(dòng)控制系統(tǒng)沒(méi)有誤動(dòng)作。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明基于云存儲(chǔ)的甲醛監(jiān)測(cè)儀能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境中甲醛的含量，在檢測(cè)范圍和基本誤差都在可以達(dá)標(biāo)，并且該監(jiān)測(cè)儀不僅保留實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，還會(huì)傳到網(wǎng)絡(luò)的云端存儲(chǔ)，便于用戶或監(jiān)測(cè)部門(mén)了解室內(nèi)甲醛的變化情況，這是不同于傳統(tǒng)的甲醛的檢測(cè)儀的。當(dāng)甲醛含量超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)會(huì)通過(guò)聲光報(bào)警，同時(shí)發(fā)短信到指定的手機(jī)通知用戶，便于用戶及時(shí)掌握室內(nèi)環(huán)境情況。

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