一種多點式甲醛測試儀的設計方案

楊潘藝 陳俊霏 王慧敏

摘要：甲醛是一種無色、有刺激性氣味的氣體，其毒性較高，易在常溫下揮發，甲醛有3000多種作用，除在可直接作為消毒劑和防腐劑外，還在建筑材料、木材加工、油漆等行業大量使用。世界衛生組織國際癌癥研究機構公布的致癌物清單中，將甲醛放在一類致癌物列表中[1]。數字化、準確實時、遠程可視的甲醛測試儀是現有甲醛檢測的發展方向。本文研制的多點式甲醛檢測儀，具備分布式多點檢測、檢測精度高、功耗低等優點，不僅甲醛濃度的LCD顯示，還可通過無線通過將監測數據傳輸到客戶端。

關鍵詞：甲醛檢測;多點式檢測;GSM;STM32

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）27-0271-02

隨著生活水平的進步，人們在物質和審美層面上對家庭裝修有了更多的要求。甲醛具有極好防腐性和粘和性，這使得甲醛存在于大量家具中。甲醛會刺激人體的呼吸道和皮膚，擾亂神經系統，降低免疫力，并且具有致癌作用。現有甲醛檢測方案主要為三類：購買專業甲醛檢測儀器，儀器價格高，性價比低;請專業檢測團隊，費用昂貴，過程復雜;使用甲醛檢測試紙，準確率低，誤差大[2]。隨著，移動互聯網的發展，移動智能終端更加便捷。本方案使用多個甲醛檢測終端通過WIFI連接多點設備，并由母機通過GSM將多點測試數據傳輸到服務器，客戶端將服務器內數據展示給用戶。因此，本方案研制出來的多點式甲醛測試儀可以便捷使用，遠程監控，數據準確等優點。

1系統流程

多點式甲醛檢測儀系統整體結構如圖1所示，主要由甲醛檢測終端構成的從機，負責與服務器通信的GSM+STM32最小系統構成的母機，Android客戶端App，和后臺服務器構成。甲醛檢測終端構成的從機由主控芯片NodeMcu_ESP8266構成，DART甲醛傳感器WZ-S，無線WIFI模塊NodeMcu_ESP8266組成，母機由GSM-GA6和STM32F103通信模塊構成。Android客戶端App主要對監測的數據進行顯示和簡單分析。服務器使用MySQL數據庫設計實現，主要負責存儲數據。

2硬件設計

母機主控芯片為STM32F103，串口1、2分別連接WiFi模塊，GSM通信模塊。從機由NodeMcu_ESP8266串口連接甲醛傳感器模塊構成。母機和從機通過WiFi通訊。

2.1從機硬件設計

從機電路框圖如圖2所示，主要由NodeMcu_ESP8266、甲醛傳感器模塊構成。

2.1.1甲醛模塊設計及實現

甲醛傳感器WZ-S通過電化學原理對空氣中的甲醛進行探測，檢測到甲醛氣體后，阻值發生改變，然后通過數據處理轉變為電信號輸出，具有溫度補償，高分辨率，高穩定性等特征。開啟Arduino的UART通信，將甲醛檢測模塊的RX，TX引腳分別連接到Arduino的PD1，PD0。

在串口通信時，甲醛模塊通訊波特率為9600，8位數據位，1位停止位，無校驗位。通信的命令行如表1所示

2.1.2 WIFI模塊的固件刷寫

在模塊中刷寫我們需要的固件能夠更好地榨取模塊的硬件的性能，實現資源最大利用。為了建立本地傳感器網絡，需要將每一塊WiFi模塊刷上一樣的固件。將模塊的GPIO0接到GND拉低電平，進入刷寫模式。采用ESPFlashDownLoadTool刷寫工具為其刷寫我們需要的特定固件。選擇適當的串口和波特率后，將固件載入，注意設置刷寫的起始地址，即可進行刷寫。刷寫結束后斷開GPIO0和GND的連接，推出刷寫模式，重新進入Flash程序運行模式，RST接GND復位一次即可正常啟用刷寫了新的固件的模塊。

2.1.3 WIFI模塊設計及實現

子母機之間的通信使用NodeMCU_ESP8266串口WIFI模塊。ESP8266模塊電路設計較為簡單，模塊有串口發送接收引腳，僅需給其供電并將其TXD引腳（串口發送腳）接STM32的UART3的PB11引腳（串口3接收腳），RXD引腳接處理器的PB10引腳（串口3發送腳），模塊運行于AP工作模式，并設置為TCP服務器，作為無線WIFI熱點，等待客戶端App的連接，實現串口與App的無線數據轉換互傳。

2.2母機設計

母機電路框圖如圖3所示，主要由STM32F103ZET6主控芯片，GSM-GA6，NodeMCU_ESP8266WIFI模塊。

2.2.1 GSM模塊設計與實現

GSM-GA6模塊功能指標：工作電壓3.5V-4.2V;靈敏度<-107支持語音通話支持SMS短信支持移動和聯通2G，以及全球的GSM網絡最大數據速率，下載85.6Kbps，上傳42.8Kbp。支持2個串口，一個下載串口，一個AT命令口，AT命令支持標準AT和TCP/IP命令接口，可與服務器進行TCP-IP連接，可以收發數據。同時也支持數字音頻和模擬音頻，支持HR，FR，EFR，AMR語音編碼

3軟件設計

3.1從機軟件設計

從機上電初始化，啟動甲醛傳感器，開始甲醛濃度檢測，WIFI模塊連接母機WIFI熱點，設置每隔一段時間，通過串口不斷傳輸甲醛傳感器檢測數據回到母機。

3.2母機軟件設計

母機上電初始化，將WIFI模塊運行于AP工作模式，開啟熱點，等待從機連接。串口2連接GSM-GA6模塊，GSM-GA6模塊建立TCP連接到服務器。母機將各從機發送到的數據通過串口1轉發到串口2等待發送，TCP連接成功后，串口2根據接收到數據的先后將數據發送到服務器按從機編號進行存儲，等待調用。

3.2Android客戶端設計

本系統的Android客戶端App開發環境采用谷歌公司新推出的AndroidStudio，AndroidStudio提供了集成的Android開發工具用于開發和調試[3]。客戶端只和服務器進行通信，基于客戶端的運行原理，服務器不能主動向客戶端推送數據，客戶端想要獲得數據智能主動向服務器發起請求獲取?？蛻舳藭〞r向服務器發送請求，得到包含數據的soket包?？蛻舳苏归_數據包后拆分數據，根據之前的設定將數據顯示在不同的頁面上。用戶也可手動向服務器發送數據請求，刷新數據。得到不同監測點數據后，客戶端將采集點的數據和對應的傳感器坐標綜合起來進行顯示，生成一個反映甲醛濃度分布的熱力圖與一個室內甲醛隨時間變化波動的檢測報告（圖4、5）。

4 結束語

綜上所述，多點式甲醛測試儀設計方案可以實現多點檢測甲醛濃度，并通過安卓客戶端APP實現數據的展示，和其他用戶服務，從軟件和硬件的聯合完成多點式分布甲醛的一體化檢測和展示。萬物互聯的想法完全融入本設計方案中，充分體現了智能化、節能化、簡潔化等特點。適用于房屋裝修、環境監控等情景，具有極強的商業價值。

參考文獻：

[1] 國家食品藥品監督管理總局，世界衛生組織國際癌癥研究機構致癌物清單，[EB/OL]，http：//samr.cfda.gov.cn/WS01/CL1991/215896.html.

[2] 盧春池，陳向東.共享式社區服務甲醛檢測系統設計[J].電子設計工程，2018（16）.

[3] S.J.MonishaSelas，E.T.JabaJasphin.Optimal imageenhancement method based on histogram analysis[C].Artificial Intelligence and Evolutionary Computations in Engineering Systems，2016：933-934。

【通聯編輯：光文玲】