車載空氣智能監控系統設計

莫肇磊，陳俊丞，黃歡歡，黃瑩瑩，熊愛民

（華南師范大學，廣東廣州，510631）

車載空氣智能監控系統設計

莫肇磊，陳俊丞，黃歡歡，黃瑩瑩，熊愛民

（華南師范大學，廣東廣州，510631）

對車載空氣智能監控系統進行了研制。通過氣體檢測采集模塊、主控嵌入式模塊和藍牙通訊接口模塊等硬件設計，成功對車內空氣PM2.5、煙霧、一氧化碳進行了實時監測，并實施相應控制處理，且系統可實時同步到車載平板電腦及移動終端上。系統實用性好，具有潛在市場價值。

車載空氣；智能監控；報警聯動；同步顯示；PM2.5；樹莓派

引言

日前，車內空氣質量指標逐漸受到人們關注和重視。有關研究表明：汽車內的粉塵微粒含量是家居和辦公室的10倍。為了早期發現和通報有害煙霧，防止和減少危害，保護人身和財產安全，本項目致力于建立一套車載空氣智能監控報警及聯動系統[1-4]。

1 系統結構框圖及設計原理

研究車載空氣智能監控系統的設計與構建，其中包括系統硬件與軟件兩部分。工作原理是：通過MQ-7（一氧化碳傳感器）、MQ-2（煙霧傳感器）等氣體傳感器進行實時數據采集、嵌入式控制系統通過軟件計算分析處理后得到車內煙霧、PM2.5及一氧化碳信息（包括種類、濃度、所達等級），同時將這些信息傳遞（主要指傳送至車載顯示屏、移動手機終端上），并實現報警、聯動相關車內設備進行相應處理，如開窗、啟停空調、開啟空氣凈化等，保證車內人員環境安全。系統結構如圖1所示。

2 系統硬件設計

系統硬件系統包括氣體檢測采集模塊、主控嵌入式模塊、顯示模塊和藍牙通訊接口模塊等。

2.1 氣體檢測采集模塊

圖1 系統結構框圖

本系統采用MQ系列氣體傳感器模塊進行氣體檢測及數據采集。電路如圖2所示。其中，利用MQ-2型煙霧傳感器實現車內小范圍PM2.5監測。MQ-2型煙霧傳感器是由二氧化錫氣敏材料構成的，屬于表面離子式N型半導體。當處于200～300℃時，二氧化錫吸附空氣中的氧，形成氧的負離子吸附，使半導體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當與煙霧接觸時，晶粒間界處的勢壘受到該煙霧的影響而改變表面電導率，即可以判定煙霧存在的信息。

圖2 MQ系列氣體傳感器模塊原理圖

MQ-2氣敏元件由三氧化二鋁（Al2O3）陶瓷管、二氧化錫（SnO2）氣體敏感層，以及測量電極和加熱器組成，整體固定封裝在塑料或不銹鋼的腔體內，加熱器為氣敏元件提供了合適溫度。封裝好的氣敏元件共6只管腳，其中4只為信號取出，2只為連接加熱電流輸入。相關特性曲線如圖3所示。其中，溫度：20℃；相對濕度：65%；氧氣濃度：21%；RL＝5 kΩ；Rs：元件在不同氣體、不同濃度下的電阻值；R0：元件在潔凈空氣中的電阻值。

圖3 MQ-2型氣敏元件的靈敏度特性對應表

同時，本系統選用MQ-7型敏感元件傳感器實現一氧化碳的檢測，它是采用在清潔空氣中電導率低的二氧化錫材料，通過高低溫循環檢測方式實現測量：首先在高溫（5.0 V加熱）條件下清洗低溫時吸附的雜散氣體；再在低溫（1.5 V加熱）條件下檢測一氧化碳。傳感器的電導率隨空氣中一氧化碳氣體濃度增加而增大，故增加外圍電路即可測量其電導率的變化，根據數據表格換算，可轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號值。其相關特性曲線如圖4所示。其中，Rs：傳感器在不同濃度氣體中的電阻值；Ro：傳感器在1 000 ppm氫氣中的電阻值。

綜上，MQ-X系列氣體探測器具有體積小、價格低、靈敏度高、響應快、使用簡單等特點，同時抗干擾能力強、測探范圍廣、使用壽命也長，非常適合車載內部小范圍氣體檢測。

圖4 MQ-7型氣敏元件的靈敏度特性對應表

2.2 主控嵌入式模塊

本系統采用嵌入式開發板“樹莓派”作為試驗。該核心控制器性價比高，其系統基于Linux平臺。DC 5V供電，SD卡存儲，音視頻功能齊備，非常方便。樹莓派基本配置有：26個普通輸入和輸出引腳，其中有8個引腳既可作為輸入管腳也可作為輸出管腳，非常靈活。另外，樹莓派還有二線I2C、四線SPI和UART各一個。其中I2C和SPI接口也可作為普通端口使用。使用WiringPi中的軟件模塊可以輕松地應用AD或DA芯片。本系統設計中采用ADC0832模數轉換芯片對氣體傳感器模塊進行數據采樣。

2.3 藍牙通訊模塊

藍牙（Bluetooth）作為一種新型短程無線擴頻通信技術，具有低功耗、小體積、開放性和互操作性良好等特點。

本系統藍牙模塊采用英國CSR公司的BC417芯片，與SST公司的8M FLASH存儲芯片39VF800A構成了通信模塊組，如圖5所示。此模塊的主要參數特點有：

（1）采用CSR藍牙芯片，符合藍牙V2.0技術標準；

（2）使用3.3～5 V電源，串口模塊上自帶RS232及TTL接口，可任選其一；

（3）芯片采用向前糾錯編碼方式，自動跳頻，抗干擾能力強，通信效率較高；

（4）波特率為從1 200 bps到最高1 382 400 bps，可在程序中根據實際需要任意設置，非常方便；

（5）芯片工作電流約40 mA，休閑時可設定休眠模式，此時電流小于1 mA，非常省電；

（6）藍牙芯片沒有傳輸方向限制。

圖5 藍牙模塊原理圖

配對后作為全雙工串口使用，但僅支持的通信格式是：8位數據位、1位停止位、無奇偶校驗位。

3 系統軟件設計

本系統使用App Inventor開發顯示空氣質量數據的軟件APP。

系統中使用藍牙模塊組件通信，收發空氣檢測信息，并在移動終端的APP上實時顯示出來。App Inventor 2提供了兩個藍牙通信組件：藍牙客戶端、藍牙服務器，配合使用可實現簡單的即時通信功能。APP主要實現兩部分功能，一是實時接收空氣檢測模塊發來的各項數據，并進行顯示、報警等處理；二是通過指令對車內設備進行聯動控制，如車窗開啟、空氣凈化器開啟、空調啟停等。指令模式有自動智能模式和直接控制模式兩種。

4 結語

本系統設計開發的車載空氣智能監控系統提高了車內人員呼吸安全性，可通過移動終端擴展到遠程監控，進一步提高了系統快速反應和實用性，具有潛在的市場價值。

[1]成潔, 盧紫毅. Linux窗口程序設計: Qt4精彩實例分析[M]. 北京: 清華大學出版社, 2008.

[2]李新榮, 曲鳳娟. ARM 9嵌入式系統設計與應用[M]. 北京: 清華大學出版社, 2011.

[3]丁男, 馬洪連. 嵌入式系統設計教程: 第3版[M]. 北京: 電子工業出版社, 2016.

[4]黃英來, 田仲富, 孫曉芳, 等. 嵌入式系統原理及應用開發教程: 第2版[M]. 北京: 清華大學出版社, 2016.

Design of Intelligent Monitoring System for Air Automobile

MO Zhao-lei, CHEN Jun-cheng, HUANG Huan-huan, HUANG Ying-ying, XIONG Ai-min
(South China Normal University, Guangzhou, Guangdong,510631, China)

Development of intelligent air monitoring system for automobile is carried out. Through hardware design on gas detection and acquisition module, main embedded control module and Bluetooth communication interface module, PM2.5, smoke, carbon monoxide of air inside the automobile are successfully monitored and processed under corresponding controls, for real-time synchronization to the automobile tablet and mobile terminal. The system has a good practicability and great potential market value.

Air Automobile; Intelligent Monitoring; Alarm Linkage; Synchronized Display; PM2.5; Rraspberry Pi

U672.7+4

A

2095-8412 (2016) 06-1252-03

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.06.054

莫肇磊(1996-)，男，廣東湛江人，本科就讀于華南師范大學。研究方向：通信工程。