LPC2148的室內空氣品質監測儀設計

趙 亮

(大連理工大學 電子信息與電氣工程學院，大連 116024)

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趙 亮

(大連理工大學 電子信息與電氣工程學院，大連 116024)

本文通過傳感器技術、嵌入式技術以及通信技術設計了一款基于LPC2148處理器的室內空氣質量監測系統，能夠實現對室內的溫度、濕度、甲醛、甲烷以及PM2.5濃度檢測，并將測得的數據通過以太網發送至客戶端，達到對建筑室內的環境參數監測的目的。經實驗測試，該系統工作穩定、測量精度高，具有廣闊的市場前景。

空氣品質；氣體檢測；嵌入式系統；傳感器

引 言

建筑室內環境是現代社會人類日常工作和休息的主要場所，據統計，人類有80%～90%的時間是在室內度過的，因此，室內空氣質量對于人類的健康至關重要[1]。然而，近些年，由于城市化進程以及工業領域的快速發展，致使人類生活的環境污染日益突出。此外，由于房屋裝修材料中存在的甲醛等有害物質引起的環境和空氣質量問題比比皆是，給無數家庭帶來了嚴重的傷害，越來越多地引起人們的重視。據世界衛生組織部門統計，目前，中國30%以上的建筑物室內控制質量不達標，存在有毒有害氣體，嚴重危害人們的身心健康，嚴重影響了人類健康安全[2]。另一方面，針對辦公場合，調查研究結果表明，良好的室內空氣質量有助于提高工作人員的工作積極性，可以提高2%～16%左右的工作效率[3-5]。

總之，無論在家庭還是在辦公場所，室內空氣質量極大地影響著人們的生活品質、健康水平和生產效率。為此，本文通過嵌入式技術、網絡通信技術設計了一款適用于室內空氣質量監測的儀器，可以實時監測建筑物內的甲醛(HCHO)、甲烷、PM2.5粉塵等有毒有害物質的濃度，同時也可以監測室內的溫濕度等熱環境參數，并通過GPRS遠程設備傳輸到用戶的手機終端，便于用戶了解室內的空氣質量。

1 系統方案設計

1.1 需求分析

針對上述對各種氣體以及溫濕度監測的需求分析，本文設計的空氣質量實時監測儀具有如下功能：

① 溫濕度監測功能：實時采集室內溫度、濕度等熱環境參數，并存儲記錄，當溫濕度超出舒適度范圍內，進行報警提示。

② 有害氣體監測功能：實時采集室內甲醛(HCHO)、甲烷等有害氣體濃度，當超出正常范圍值時，進行報警提示。

③ PM2.5濃度監測功能：實時監測室內PM2.5濃度，并根據設置的濃度上線進行報警提示。

④ 遠程通信控制功能：支持實時或者定時上傳模式、支持客戶遠程修改濃度上限值。

1.2 監測儀系統方案設計

本系統采用高性能ARM7芯片LPC2148作為核心處理器，該芯片內部集成512 KB高速Flash存儲器，具有豐富的外設和通信接口，包括2路高速的10位ADC輸入通道和1路10位的DAC輸出通道，支持UART、SPI、I2C總線等多種串行總線協議，包含多達45個高速GPIO通用引腳[6]。此外，64引腳的LQFP封裝非常適用于功耗敏感的小型嵌入式系統中，在工業控制、醫療衛生、數據采集等領域應用廣泛。圖1給出了室內空氣品質監測儀的硬件系統架構圖，包括傳感器采集模塊(氣體、溫度、濕度等)、液晶顯示模塊、報警模塊以及網絡通信模塊等。

圖1 監測儀整體硬件架構設計

2 系統設計

2.1 溫濕度傳感器模塊

溫濕度測量傳感器采用的是廣州奧松公司生產的一款數字化DHT11模塊，該模塊內部包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，僅通過一根I/O數據線實現與處理器LPC2148的通信，支持3～5 V供電[7]，具有低功耗、體積小巧、電路簡單等優點。硬件電路連接時為提高數據通信穩定性，建議在數據線與電源線之間加入一個上拉電阻。每次通信傳感器向處理器傳輸高位在前，低位在后的40字節數據信息，包含溫度數據(16字節)、濕度數據(16字節)以及校驗數據(8字節)等信息。傳感器的具體參數略——編者注。

圖2 DHT11溫濕度模塊數據通信時序圖

圖2給出了DHT11模塊與LPC2148通信的時序圖，默認狀態總線處于高電平，LPC2148主動將總線拉低開始一次讀取過程，之后將總線恢復高電平，延時等待20～40 μs后讀取DHT11的回應信號。DHT拉低總線給出響應，再把總線拉高，準備發送數據。如圖2所示，每一位數據都以低電平開始，數據“0”所占的高電平時間大約為26～28 μs，數據“1”所占的高電平時間為116～118 μs。一般而言，一次通信時間最大3 ms，主機連續采樣間隔建議不小于100 ms。

2.2 甲醛傳感器模塊

甲醛氣體檢測采用電化學式傳感器ME3M-CH2O，該模塊根據電化學的原理工作，利用待測氣體在電極上的電化學氧化過程所產生的電流與其濃度成正比，通過測定電流的大小就可以確定待測氣體的濃度。其具有體積小、功耗低、檢測范圍寬、靈敏度高等特點，廣泛應用于家庭及公共場所等甲醛檢測等場所[8]。圖3給出了ME3M-CH2O傳感器的硬件檢測電路，通過運算放大器將傳感器上檢測到的電流信號變化為電壓信號并放大，進而送入LPC2148處理器的A/D模塊進行采集。

圖3 甲醛傳感器檢測電路

2.3 甲烷傳感器模塊

甲烷傳感器采用的是MC112載體催化氣敏元件，傳感器的補償元件和檢測元件構成電橋的兩個臂，當檢測到甲烷氣體時，依據催化燃燒化學效應，檢測元件的電阻值將升高，引起橋路電壓發生變化，產生電壓信號強弱與可燃氣體濃度成正比關系[9]。MC112的檢測電路原理圖如圖4所示，由于傳感器輸出的信號比較微弱，這里采用AD623放大器進行放大之后送入LPC2148進行采集處理。

圖4 甲烷傳感器檢測電路

2.4 PM2.5傳感器模塊

PM2.5粉塵傳感器采用的是韓國進口DSM501模塊。該模塊的工作原理如下：首先通過自加熱功能使室內的空氣進入模塊內部，粉塵粒子被LED發射的探測光照射后印發散射，再經過光電轉換器將光脈沖轉換為電脈沖，從而完成對粉塵顆粒的識別。該模塊可以檢測到直徑在1 μm以上的粉塵懸浮物，以PWM脈寬調制的方式輸出信號，一個DSM501傳感器可以檢測最大面積為30 m2空間內的粉塵濃度[10]。如表1所列，DSM501模塊共有5個引腳，其中3引腳和5引腳為供電引腳，2引腳和4引腳為輸出引腳，其中2引腳用來檢測最小直徑為1 μm的懸浮物，而4引腳用來檢測最小值為2.5 μm的懸浮物，但4引腳的檢測靈敏度可以通過1引腳進行控制，接入不同阻值電阻可以改變4引腳的檢測敏感度。

DSM501的PWM輸出波形和檢測流程圖分別如圖5和圖6所示。輸出的低電平的脈寬在10～90 ms之間，利用式(1)計算出一個測量周期內低電平所占的總時間比例，之后通過線性查表法計算PM2.5粉塵顆粒的數目。檢測前首先要讓模塊進行預熱(大約1分鐘左右)，之后開始通過LPC2148對DSM501輸出的低電平脈沖進行計數，并按照式(1)進行計算并查表。

圖5 DSM501傳感器輸出波形

圖6 PM2.5濃度檢測流程圖

2.5 網絡通信模塊

網絡通信功能是本系統的一個重要組成部分，考慮到傳統以太網驅動芯片需要在微處理器內編寫驅動程序，存在開發周期較長、開發難度大等問題。本文選用了集成TCP/IP協議棧的以太網驅動芯片W5300，該芯片是韓國WIZnet公司生產的一款多功能的單片網絡接口芯片，提供快速的高性能、低成本以太網解決方案[11-12]。該芯片的內部結構如圖7所示，電源電壓為3.3 V，芯片內部含有1路1.8 V電壓調整電路，簡化了系統的電源設計；外部輸入時鐘一般為25 MHz，通過鎖相環模塊倍頻至150 MHz時鐘信號；支持8位或者16位并行總線連接方式，最高通信速率可達50 Mbps。

網絡模塊軟件程序主要分為以下幾個部分：

① 初始化。對W5300的MAC地址、默認IP地址、默認網關地址設定，初始化SOCKET，并設置TCP服務器工作模式。

圖7 W5300芯片內部結構圖

② 接收數據。W5300接收數據采用中斷方式，當W5100接收緩沖區收到數據之后，會產生一個中斷信號，通過LPC2148處理器的中斷處理程序進行解析，首先讀取接收緩沖區中長度寄存器S0_RX_RSR的值，進而按照數據長度進行讀取并返回。

③ 發送數據。處理器接收到客戶端的數據請求之后，通過采集相應的傳感器信息，首先將待發送數據復制到Socket的TX發送緩沖區，然后在計算待發送數據的長度，并將該信息寫入到寄存器S0_TX_WRSR中，之后開始發送數據。

W5300軟件驅動程序流程圖如圖8所示，首先對芯片復位、初始化，完成MAC地址、IP地址等參數設置，復位過程中，要至少保持2 μs的低電平信號，之后等待10 ms左右，待鎖相環工作穩定以后，再建立Socket連接，等待程序發送讀取或者發送指令，并進行相應操作。

圖8 W5300芯片內部結構圖

3 系統測試

分別參照《溫濕度傳感器校準規范》、《甲烷氧氣檢測報警儀檢定規程》以及《光散射式數字粉塵測試儀檢定規程》對監測儀的各項指標進行標定，除溫濕度測量試驗外，其余工況均在溫度(20±3) ℃，相對濕度≤60%的室內環境測試，為了提高測量精度，把三組連續測量的平均值記為儀器測量顯示值，具體測試數據略——編者注。

通過數據可以看出，溫濕度的測量誤差在1%左右，測量氣體濃度時，當氣體濃度較小時，儀器檢測結果的誤差比較大；而當氣體濃度較大時，測量精度相對較高。主要原因是當氣體濃度小，檢測電路的分辨靈敏度不夠。綜上所述，本文研發的監測儀可以對生活和生產的環境進行氣體濃度的檢測，能夠滿足測量要求。

結 語

本文采用LPC2148芯片作為核心處理器，結合各類傳感器，給出了室內空氣質量監測系統的硬件電路設計以及軟件程序開發。該系統能夠自動監測室內甲醛、甲烷、PM2.5等有害物質濃度以及溫濕度等熱環境參數，通過以太網將數據進行遠程傳輸，易于管理和維護。經測試，該監測儀具有較高的測量精度，系統運行穩定，可以應用于家庭、醫院、辦公等不同室內場所。同時，本系統采用模塊化設計思路，具有良好的移植特性，方案稍加改動，即可應用于其他具有類似功能的監控系統中，具有較高的研究

價值和應用價值。

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(責任編輯：楊迪娜 收稿日期：2016-07-13)

Zhao Liang

(Faculty of Electronic Information and Electrical Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China)

In this paper,an indoor air quality monitoring system is designed and implemented based on LPC2148 micro-processor by means of the sensor technology,embedded technology and communication technology.The system can detect the indoor temperature,humidity,formaldehyde and methane,as well as PM2.5.All of the measured data is transmitted to the remote server through the Ethernet.The experiment results show that the system works stably and has high accuracy,which has broad market prospect.

air quality;gas concentration detection;embedded system;sensor

國家自然科學基金面上項目(61472062)；博士后基金項目((2015M571306)；中央高校基本科研業務費項目(DUT15ZD230, DUT16RC(4)20)。

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2016-07-22)