基于LabVIEW平臺的多功能甲醛檢測儀

張鋼 王一妹 李云松

摘 要：本文提出一種準確便捷的多功能甲醛檢測儀的設計方案。采用攀藤公司的多功能電化學甲醛濃度傳感器模組，結合藍牙傳輸技術和美國NI公司的LabVIEW平臺開發構建了多功能甲醛檢測系統。該系統檢測準確， 動態曲線顯示，功能全面，為空氣質量測量方法開辟了更加便捷的途經。

關鍵詞：甲醛檢測;PM2.5;LabVIEW;傳感器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.114

1 引言

現代生活中，人們對室內空氣質量環境越來越重視，污染的空氣的確會危害人體健康，最新報道污染空氣還影響到人們的智商。對于室內污染物如甲醛、PM2.5和TOVC等空氣質量參數的檢測，已成為一個重要的課題，目前市場上對甲醛濃度的檢測，大致分為專業機構的實驗室化學測量和家用級便攜式電子儀器測量。傳統的實驗室分析方法為非現場實時檢測，具有結果準確可靠、分辨率高、抗干擾能力強的優點，但是成本很高，裝置復雜，流程耗時較長，通常作為爭議仲裁和高端消費。而現場便攜式電子檢測儀器則具有快速實現半定量、過程簡潔、便于攜帶和測點靈活的特點，質量好的電子檢測儀器在測試精度上基本可以滿足普通家用檢測的要求，因之室內環境下便攜式電子檢測儀器已經形成良好的發展態勢，研制能夠同時檢測各種氣體的高質量智能化多功能的氣體傳感器和先進便攜式檢測儀是室內空氣質量檢測的重要課題。隨著人們對甲醛等污染物對健康危害的認識深化，我國在1995年制定了針對甲醛的國家標準GB/T 16127-1995《居室空氣中甲醛的衛生標準》，該標準中明確規定居室內空氣中甲醛衛生標準 （濃度上限）規定為 0.08 mg/m3。這為空氣質量治理指引了方向，對甲醛污染的控制與治理提供了定量依據。

目前，市場上進口的歐美便攜式甲醛測試儀等儀器屬于高端制作，準確度較高，分辨率高，質量可靠。高端儀器的精確度，測試范圍都已接近或達到國內有關標準的技術要求，但是其儀器價格昂貴達數萬，維護費用很高，公眾使用機會有限。而一些低價普通國產便攜式檢測儀器則在準確度、分辨率和穩定性方面與進口儀器相比還有較大差距，但是其價格適中、檢測成本低廉，半定量準確度還不錯，現場效率高，故質量較好的國產家用甲醛檢測儀目前使用的需求還很大。據報道國內外都將部分高質量便攜式甲醛電子檢測儀器也列為推薦方法，《規范》也規定了民用建筑工程室內空氣中甲醛檢測可采用現場儀器檢測的方法，并要求檢測儀器應定期進行校準。據報道在技術研究的基礎上對便攜式甲醛檢測儀器與傳統專業標準方法進行過大量有益的比對試驗，現場測量結果表明在 0.01mg/m3 ～ 0.60mg/m3 測定范圍內的不確定度小于 20%是可以做到的，因此高質量的便攜式家用甲醛檢測儀是有很好的發展前景的。我們的方案是研發設計一種準確度更高、性能更穩定、操作方便的多功能甲醛檢測儀，并以滿足《居室空氣中甲醛的衛生標準》指標為目標。

2 檢測系統設計與主要技術問題

本檢測系統是基于美國NI公司的LabVIEW虛擬儀器開發平臺。LabVIEW平臺提供了圖形化的設計方法，編程采用流程圖，流程圖也是虛擬儀器的源代碼。這種?可?視?化編程?可?幫助?用戶?方便地集成?來自?任何?供應?商?的?測量?硬件，?在?程序?框?圖?上?可以表現?復雜?的?運算和邏輯，可使用各種圖標、連線、圖形符號來編程。平臺具有強大的?數據采集、數據處理和分析、復雜分析?算法等功能，具有編程靈活、界面豐富友好、可自定義等優點。具備各種GPIB、VXI儀器、總線接口及串口儀器驅動程序的聯動機制，并具有遠程通訊與網絡功能。在系統測量、自動化、通信、控制方面有著廣闊的應用前景。本項目采用PC機作為終端，選用LabVIEW開發檢測系統實現甲醛濃度的自動檢測與顯示。

甲醛檢測系統的設計組成由甲醛傳感器與PM2.5 與PM10檢測模塊、藍牙串口傳輸模塊、數據采集和處理、LabVIEW 2014軟件系統、上位機程序以及用戶接口設計等組成。其中甲醛傳感器檢測模塊、PM2.5 檢測模塊和藍牙串口傳輸模塊，構成下位機部分。利用計算機的RS-232串行口，可實現上下雙機的通信，選擇使用藍牙串口傳輸模塊進行無線數據通信，所用筆記本電腦沒有串口就利用虛擬串口助手設置，一般采用的是簡單的四線制連接方式。TXD 為發送數據端，RXD 為接收數據端，GND 為接地端，VCC為電源端。

檢測系統軟件采用LabVIEW強大的的圖形語言開發，由八個功能模塊設計組合。系統軟件主要包括：數據讀出＼寫入模塊，數據接收與處理，特征字符串匹配模塊，抗干擾模塊，數據處理與計算，平均值計算模塊，動態波形顯示模塊等。設計的源程序文件可以打包并直接在Windows平臺下運行。圖1是多功能空氣質量檢測儀界面圖。有三個主要參數顯示窗口。甲醛和PM2.5實時數據曲線在圖表上動態顯示，PM10濃度量使用顯示柱。波形顯示模式為模擬波形記錄儀方式，“動態數據曲線” 顯示采用Chart控件。圖表的正上方是三個主要數據輸出文本框，分別顯示當前采集的甲醛、PM2.5 和PM10的濃度數值。圖表控件中顯示著歷史數據連續不斷地往左邊移動，最新采集的數據在右邊逐漸顯示，如參數測試結束，點擊“退出”控件退出程序。

下面談談多功能甲醛檢測儀系統總體方案實現的幾個主要問題。

（1）傳感器的選用：根據檢測對象的特點，需要選擇一個測量靈敏度高、測量準確度高，檢測范圍滿足規定的傳感器，來做甲醛檢測儀的首要部件傳感器。經過市場調研和比較，選擇了攀藤公司的空氣質量多功能型傳感器模塊（采用英國DART公司膜片），英國DART公司的電化學甲醛濃度傳感器，國際知名，綜合測試范圍和精度能滿足 GB/T 161271995《室內空氣中甲醛衛生標準》中規定的指標要求。我們采用的攀藤PMS5003S 系列是一款可以同時監測空氣中顆粒物濃度和甲醛濃度的二合一傳感器。甲醛傳感器負責將甲醛氣體的濃度轉化成為電信號，信號調理電路由前置放大器和濾波電路構成，負責將傳感器產生的微弱電信號轉化成為匹配的電壓信號，再經過微處理器轉化成標準化數字輸出，便于集成使用。PMS5003S運用激光散射原理來檢測污染顆粒物濃度，它不斷采集和計算單位體積內空氣中相應的懸浮顆粒物個數，并換算成為顆粒物濃度。PMS5003S中自帶有風機，需要 5V 電源供電驅動。與之連接通訊的主板MCU應為3.3V供電，數據通訊和控制管腳均采用3.3V作為高電平。在通訊線（RXD、TXD）和控制線（SET、RESET）上加入電平轉換芯片或電路之后，也可以采用主板 MCU 的 5V 供電。使用藍牙串口傳輸模塊連通傳感器模塊與上位機進行數據通信，采用被動接收形式，無需問答，即下位機會一直發送數據上來。

（2）上位機程序的開發：主要是 LabVIEW串口數據通信編程。 LabVIEW通過VISA與串行接口儀器通信。VISA為用戶提供了一套的可方便調用的標準I/O底層函數，是儀器編程的標準I/O應用程序接口（API）。在LabVIEW功能模板的Instrument I/O→Serial中包含進行串行通信的多個功能圖標，分別可實現串口讀、串口寫、串口設置、中斷、串口緩存檢測、關閉串口等功能。VISA功能模塊使用了VISA resource name控制參數，該參數標識了進行I/O操作應有的配置信息和對應通信的設備名稱。編程時用到串口初始化函數（VISA Configure Serial Port）和串口讀函數（VISA Read），完成串口的初始化和讀出。選擇串行資源并配置參數（波特率、數據位、奇偶、停止位），根據所用電腦的串口選擇串口號，本機選擇COM4，波特率默認9600，其他默認。

（3）數據接收與處理：串口通信中，一般數據幀的通信協議格式由幾部分信息組成：幀頭、數據長度、數據塊和幀尾等。數據長度和數據塊是主要的數據部分。項目所用傳感器的通信傳輸協議是32字節。其中以0x42、0x4D二個字節作為數據幀頭，之后兩個字節為幀長度數據，接著是數據塊，根據廠家定義，數據格式第13-14字節是PM2.5濃度;第15-16字節是PM10濃度;第29-30個字節是甲醛濃度，其他數據位是不常用的空氣質量指標，31-32個字節是校驗碼。圖2是特征字符串匹配搜尋、數據位提取與計算處理顯示部分源程序圖。

實際運行中，開機后可能最先接收到的信息不一定是幀頭，因為現場檢測過程中可能有干擾有失序，或下位機一直處于發送數據的狀態，接收的過程中串口也有可能在緩沖區被清空等等，因此這一幀數據的前面部分數據可能會丟失，這種失序會造成后面提取特定數據字節時發生錯誤。因此首先要查找對幀頭，采用的辦法就是搜索特征字，我們使用“匹配字符串函數”的匹配字功能，如果找到幀頭則會將幀數據分為前后兩部分，匹配字后部分就是所需要的數據塊。這是一個程序的搜索算法。具體實現的程序可調用“匹配模式字符串函數”，見圖2左上。以本項目傳感器模組為例，如圖1中實時顯示為例，其中以42、4D二個字節作為數據幀頭，第三、四個字節為幀長度計數器，假如串口接收的一個數據包為424D? 001C? 0043? 0065? 006C? 002C? 0042? ?004D? 0000? 0000? 0000? 0000? 0000? 0000? 0019? 0293共32字節十六進制數，。其中，數據幀頭424D，剛好是字符BM的十六進制表示，也是搜索特征字;接下來是從0043到0019字節是核心數據字節，信息流經過匹配模式字符串函數圖標之后，原輸入字符串一分為二，匹配字后面的字符串是我們需要的核心數據，按位置轉換為字符顯示的字符串后可得到實際的各種空氣質量參數值。該傳感器很多數據位是不常用的空氣質量指標，故沒有提取顯示。把串口接收的數據包先進行字節分別提取，再調用轉換為字符顯示的字符串的圖標，輸出值就是實際的特定空氣濃度值。

（4）數據轉換與計算：由于LabVIEW中運行接收到的數據都是以字符串的形式存在的，編程中使用“轉換為U8數組”這個函數，就可以需要將字符串轉換為ASCII碼，轉換為U8字節后，就可以進行數據幀的采集處理。根據傳感器基礎設計，本儀器將收到以下的字符串數據，正常情況，頭字節42，次字節4D，剛好是字符B、M的十六進制表示;圖2中下半部分顯示的數組是使用“字符串轉換為U8數組”的函數轉換之后得到的數組，可以是十六進制或十進制顯示。對照廠家定義的數據幀格式順序，就得到各種空氣參數的數據了。幀頭查找到以后，所用傳感器的傳輸數據格式第13-14字節是PM2.5濃度;第15-16字節是PM10濃度;第29-30字節是甲醛濃度。注意串口程序的字節序是高位在前，低位在后。濃度計算時，高位數加上低位數時要乘上256，這二個字節的數據相加就是我們要的實際數據，在實際使用過程中應該根據幀格式的字義來解析這個數據，直接使用索引號進行索引輸出可以方便得到。由“創建波形”節點創建波形數據，之后，波形數據流入Chart圖表中動態顯示。 從圖2可以看到，有甲醛，PM2.5，PM10三個數據流要經過并行數據處理。調試程序時可以使用探針監視窗口，LabVIEW 在探針窗口中會自動列出探針并為這些探針編號，窗口顯示的值就是探針符號所在連線的探測點的字符串或者實時值。

（5）抗干擾模塊：傳感器模塊傳送數據串過程中，由于檢測系統的波動性或現場擾動，數據偶爾會出現凌亂，采集數據偶爾會出現很高的數值尖峰，這個模塊要采用比較程序把尖峰過濾掉，代之以平均值。使之平穩輸出。

（6）平均值模塊：有時測試時間可能較長，如果環境正常波動不大的情況，為了測試數據更準確，這時就需要取一個平均值，甲醛濃度也顯示為平均值。最小值和最大值也要檢出。系統在出現尖峰干擾或其他擾動時，可以拉回到平均值。系統支持大量歷史數據回放，這些都是電子儀器測量的優勢。

利用LabVIEW的平臺環境開發串口通信程序，流程圖清晰規整。我們開發的檢測系統程序，人機界面設計友好，觀測方便，波形曲線顯示準確流暢。經過現場實測分析，檢測分析結果在日常所見測定范圍內的不確定度小于 20%是可以做到的。 空氣質量數據采集可靠、運行效率高，能夠提供可靠的甲醛污染狀況等級判定。和傳統專業實驗室化學方法比較，方便快捷，測點靈活，成本低廉，誤差可控，可以將數值轉換為等級，具備真正的使用價值。

由于LabVIEW檢測系統的升級改動很方便，我們同時也設計了另一種基于LabVIEW平臺的便攜式甲醛檢測儀，采用的WZ-S 型甲醛檢測模組是全球甲醛檢測專家——英國DART公司的最新力作，升級版原裝達特甲醛傳感器結合先進的微檢測技術，直接將環境中的甲醛含量轉換成濃度值，它和本文所示檢測系統相結合，綜合比照，中西合璧，使得檢測數據更準確更有實用價值。

3 結束語

本文介紹了一種基于LabVIEW平臺設計的多功能甲醛檢測儀，該系統能夠對甲醛和PM2.5等參數實時地監測。能夠克服傳統監測方法過程復雜、成本高、請不起、耗時長等不足。從檢測系統進行的測試分析以及現場對比測試來看，采集數據較為準確，系統運行穩定，顯示清晰動態曲線，這種檢測儀器可以方便地在現場完成半定量檢測甲醛濃度等，操作方便，具有較高的實用價值。

參考文獻：

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