基于Wi-Fi网络的甲醛气体监控设计

李旭华

(嘉应学院 物理与光信息科技学院,广东 梅州 514015)

甲醛(分子式：CH2O)亦称蚁醛，是最简单的醛类，通常情况下是一种可燃、无色及有刺激性的气体.甲醛若在空气中的浓度超过0.1 mg/m3,会导致眼睛和黏膜细胞的伤害.在体内，甲醛可能导致蛋白质不可逆的与DNA键结.动物实验显示暴露在大剂量的甲醛中会使得鼻子与喉咙致癌的机率增加.[1]世界卫生组织确认甲醛为致畸、致癌物质,是变态反应源,长期接触将导致基因突变.[2]目前甲醛污染问题主要集中于居室、纺织品和食品中.居室装饰材料和家具中的胶合板、纤维板、刨花板等人造板材中含有大量以甲醛为主的脲醛树脂,各类油漆、涂料中都含有甲醛[3].对于甲醛的检测方法目前主要有分光光度法、电化学检测法、传感器法等.由于分光光度法、电化学检测法利用化学反应实现，需要在专门的化学实验室检测，且难以实现长时间的在线连续监测；所以采用半导体式VOC气体传感器MS1100，具有较高的灵敏度和稳定性，能够侦测1×10-7kg/m3以上的气体，适用于检测空气中的甲醛、苯、二甲苯等多种有机挥发成分，同时具有体积小巧、价格便宜、响应速度快.

1 系统组成

系统总体框架如图1所示，主要包括甲醛气体采集、单片机模/数转换、无线网络传输.系统的下位机利用传感器采集待测气体，得到的电压信号送入单片机内进行模数转换，通过网络将字符型数据传送给上位机.上位机PC端程序采用虚拟仪器软件LabVIEW平台开发.虚拟仪器是在传统仪器的基础上发展而来的，完全继承了传统仪器的所有优点，并超越了传统仪器.其把传统仪器的显示和硬件数据处理引入到计算机中来显示并进行软件处理.这也是近年来计算机迅速发展的结果.虚拟仪器配置了多种相应的I/O接口设备进行数据采集，用不同功能的测试软件对数据信号进行分析处理及显示，构成一整套的虚拟测试系统[4].

图1 系统总体框架图

图2 传感器测试电路及输出电压与浓度关系

2 硬件电路设计

2.1 VOCS传感器电路

设计采用MS1100半导体气敏传感器模块，敏感体主要是由半导体材料制成的，其中应用最为广泛的半导体材料是金属氧化物半导体，在气体传感器领域中应用最多的金属氧化物是SnO2、ZnO、Fe2O3、WO3等.

图2是传感器的基本测试电路.被测气体在半导体表面与氧发生化学反应时通常需要一定的温度，要获得所需要的温度就必须通过加热器给传感器通电加热.该传感器的加热电压VH和电路电压VCC共用5 V电压.可输出0～5 V的模拟电压Vout，由器件手册得到输出电压与待测气体浓度的关系式，适合测试的气体浓度范围为0～100 ×10-6kg/m3.

2.2 传感器电压的采集

STC12C5A系列单片机自带ADC功能，有8路10位高速A/D转换器，速度可达250 kHz.上电复位后P1口为弱上拉口，用户可以通过软件设置将8路通道的任意一路设置为A/D转换[5].单片机的参考电压来自电源电压VCC，可不外接参考电压源.实际使用时万用表量出工作电压并记录在单片机的EEPROM.来自传感器模块的采样电压接入单片机P1口的P1.0引脚，对模数转换后的采样电压值进行中值过滤处理，剔除不合理的采样值.通过串行通信发送到Hi-Link的RM04模块的串口.

2.3 无线网络传输

HLK-RM04模块是基于通用串行接口的符合网络标准的嵌入式模块，内置TCP/IP协议栈，能够实现用户串口、以太网、无线网(Wi-Fi)3个接口之间的转换.通过HLK-RM04模块，传统的串口设备在不需要更改任何配置的情况下，即可通过局域网络或互联网传输自己的数据，为用户的串口设备通过网络传输数据提供完整快速的解决方案[6].

HLK-RM04模块与PC的串口连接后，工作模式中选择“无线AP模式”，网络协议选择“TCP服务器”，设定RM04模块的网络参数，调整与单片机进行串行通信的波特率、帧的格式及远程端口.多处的气体采集节点与各自的RM04模块连接在一起，组成分布式无线网络；将RM04模块处于同一子网，在路由器的控制下，带有WiFi功能的PC机和智能手机都可以接收到指定地址的RM04模块发出的数据.若接入互联网，可实现远程网络传输数据.由于模块与单片机之间采用串行通信，需要MAX232芯片完成TTL/RS232电平转换.

3 软件部分设计

3.1 下位机程序设计

下位机单片机的程序包括LCM液晶显示模块、ADC转换模块、温湿度检测和串行通信模块.单片机的LCM模块可以显示现场的气体采样电压、温湿度和气体的实时浓度；为了适应无人值守等环境要求，利用单片机的看门狗定时复位功能，保证信号电压的采集和显示；串行通信采用与RM04模块相同的波特率和相同的帧格式，保证数据的正确发送和接收.

3.2 上位机程序设计

主从设计模式特别适合一对多的情况，主方发布数据，从方被动响应[7].HLK-RM04模块与PC机之间的通信采用标准的TCP/IP协议，不同的节点通过无线网络连接可直接与PC机通信.对于不同位置节点的气体采样，TCP/IP传输数据时间的各不相同.上位机程序采用主从结构，使得每个点的采集任务分别在各自的循环中实现，同时在前面板显示每个采集点的数据，可以根据需要随时切换到指定采集点，实时观察数据曲线的变化(图3所示).

图3 前面板运行图

在图4的主循环中，采用状态机模式控制上位机系统的“初始化”、“数据处理”和“退出”等状态,在“数据处理”状态中引入事件结构，对前面板的输入输出控件的动作设定事件，提高程序的响应速度.

图4 上位机主循环框图

如图5示，从循环采用TCP函数编写，当“读取TCP数据函数”以CRLF格式从网络上获取数据流，可得到RM04模块发出的字符数据，对数据做字符串处理得到数值型数据，用于数据处理、实时波形曲线绘制和数据监控，同时可选择存储数据功能.其中信号数据储存、信号浓度转换和浓度报警等模块以子VI的形式被调用.若需要增加采集节点，可在程序框图中直接添加对应节点的从循环，所有的采集节点构成星型拓扑结构.

4 结束语

采用半导体气敏元件检测甲醛气体，驱动电路简单；利用HLK-RM04模块进行无线网络传输，扩大了气体的监控距离和范围，可以使用支持Wi-Fi的智能设备获取气体数据，实时观测气体浓度变化.整个采集节点构成星型网络拓扑结构，提高系统的容灾特性.

图5

[1] 周公度.化学辞典[M].2版.北京：化学工业出版社，2011：316.

[2] 黄湘源,徐春秀.催化动力学测定食品中痕量甲醛[J].南昌大学学报,2003,27(1):78-81.

[3] 王争,林永娟.室内空气中甲醛测定方法选择探讨[J].上海计量测试,2003,30(5):17-19.

[4] 郑对元.精通LabVIEW虚拟仪器程序设计[M].北京：清华大学出版社，2012.

[5] 郭天祥.新概念51单片机C语言教程-入门、提高、开发、拓展全攻略[M].北京：电子工业出版社，2009：285.

[6] 海凌科电子有限公司.HLK-RM04说明书[EB/OL].[2013-07-23].Shenzhen Hi-Link Electronic Co.,Ltd Http://www.hlktech.com.

[7] 陈树学,刘萱.LabVIEW宝典[M].北京：电子工业出版社，2011：396.