家庭“环保卫士”检测仪

王 刚,何阿雷,秦 刚,李雪艳,程 耀

（西安工业大学 电子信息工程学院,西安 710021）

0 引言

近年来，空气和水质量污染严重。PM2.5表示每立方米空气中直径小于或等于 2.5μm的固体颗粒或液滴这种颗粒的含量，该值越高，就代表空气污染越严重。PM2.5、甲醛和水中的氨氮的含量超标都会影响人们的身体健康，所以我们需要实时的检测室内有害物质的含量以便做出相应的措施。现在国内市场上还没有一款集PM2.5、甲醛、氨氮检测于一体的适用于家庭使用的检测仪，而且Android系统在终端领域的发展具有巨大的应用前景。我们从体积、功耗、价格等多方面综合考量，使其具有携带更便捷、使用方便、功耗和成本低、智能化等特点，研制出了三种检测功能融为一体的多功能检测仪以满足现实市场的要求。

1 系统方案设计

本设计借鉴国内外多功能智能检测仪表的设计经验，综合运用电子技术、计算机控制技术、多传感器融合技术以及过程控制技术组成自动检测系统。

系统采用的整体方案：通过PM2.5、甲醛以及氨氮传感器采集室内空气质量和水质信息，把检测到的信息送入中央处理单元进行运算处理，得到PM2.5、甲醛和氨氮含量信息。最后，用蓝牙与装置连接，将检测结果通过问答的方式，用android手机接收到实时检测到的数据。当测量数据超标时，装置中的蜂鸣器发出警报，然后将超标信息发送给监控站，以便相关部门采取相应措施予以解决，以保证居民生活安全。

2 系统的硬件设计

该系统必须满足体积小、成本低、功能稳定等特点，硬件主要包括：中央处理模块、电源模块、传感器模块、蓝牙模块、android平台和报警模块。

2.1 最小系统模块

部集成的256K Flash存储器、3个12位ADC、UART串行通信接口等部件，最大总线时钟可达72M。极大的方便了本课题的设计，大大减少了单片机的外围部件，节省了使用空间，增加了仪器检测的稳定性。较之ARM7 TDMI，Cortex-M3拥有更强劲的性能、更高的代码密度、位带操作、可嵌套中断、低成本、低功耗等众多优势。

2.2 电源模块

电源是系统设计中的一个重要组成部分，稳定可靠的电源模块能够为系统稳定工作提供能源保障。为了提高系统的可靠性，根据传感器和整个系统电源的需要，本系统采用独立电源进行供电。整个系统由外部的12V蓄电池供电。各模块所需电压不同，需要把电压调节为5V和3.3V，5V电压：主要给传感器模块以及AD检测部分提供电源，3.3v电压：单独给微控制器提供电源。该电源要求需要十分稳定，否则系统可能运行不正常。

2.3 传感器模块

系统的传感器包括PM2.5传感器、甲醛传感器和氨氮传感器。PM2.5传感器拟采用夏普公司型号为GP2Y1051AU0F的灰尘传感器，该传感器灵敏度高、体积小、成本低、准确率高、一致性好。甲醛传感器拟采用两电极电化学型的英国达特传感器，该传感器灵敏度高、成本低、耗能小。氨氮传感器拟采用雷磁公司型号为PNH3-1的氨气敏电极传感器，该传感器响应速度快、测量范围宽、线性度好，非常适用于氨氮浓度的检测。

氨氮采集工作原理：传感器的模拟量信号先通过ADuM5401进入AD7793，其跟随所测信号之后，经过AD转换、跟随、放大，最后将信号送入单片机按照一定的算法进行分析、运算和处理。A/D转换芯片AD7793与ADuM5401数字隔离芯片的配合使用具有较高的精度和很强的抗干扰能力，为系统提供了小尺寸、完全隔离的解决方案。当氨氮传感器检测到的氨氮的浓度低于0.5mg/L时，可作为生活用水。当浓度高于0.5mg/L时，发生警报。

采集甲醛和PM2.5传感器是直接通过串口与单片机相连的，不需要外部采样硬件,节省了硬件内部的空间。当有甲醛气体存在的时候，将会有一个很小的直流产生，产生的电流需要外部的数据采集将其变为可读的信号。GP2Y1051AU0F是灰尘（粉尘）传感器由光学传感系统一个红外发光二极管（IRED）和光电子晶体管是对角布置在该装置中组成的。它是通过检测空气中尘埃的反射光计算粉尘的浓度。甲醛传感器检测到室内甲醛的安全浓度低于0.1mg/m^3，PM2.5的安全浓度低于10。

2.4 Android平台

对于显示电路的设计，摒弃了常规的液晶显示，选用了安卓手机进行数据的显示和相关按键的操作。从而实现无线监测，为人们提供了方便。蓝牙(Bluetooth)技术拟采用HC-05蓝牙模块。工作流程：在Android手机里下载蓝牙串口软件APK文件，使蓝牙模块和手机之间可以相互通信。打开手机中的BTClient应用程序查找你设置的蓝牙设备连接，打开串口，手机与蓝牙模块通讯,双方可以互相输入数据通信。android界面中有甲醛键、氨氮键、和PM2.5键，当蓝牙配对成功时，用手点击甲醛，然后按发送，即可在屏幕上出现甲醛的浓度。

3 结论

随着全球化技术的不断发展，无线通信应用越来越广泛，本次设计是基于Android平台的手机监控系统，用于实时的显示PM2.5、甲醛和氨氮的含量，目前本设计基本达到了预期的要求，实现了一台多功能全自动生产作业。结合家庭的实际情况，节省了成本，适应了市场的需求。此设计充分利用了人们普遍使用的通信工具，使人们可以随时随地的对家庭环境信息查询，检测我们生活和工作的环境。

[1]杜娟.测试计量技术及仪器[D].郑州:郑州大学硕士学位论文,2010.

[2]马天.环境工程[D].四川:四川大学硕士学位论文,2004.