LPC2148的室内空气品质监测仪设计

赵 亮

(大连理工大学 电子信息与电气工程学院，大连 116024)



赵 亮

(大连理工大学 电子信息与电气工程学院，大连 116024)

本文通过传感器技术、嵌入式技术以及通信技术设计了一款基于LPC2148处理器的室内空气质量监测系统，能够实现对室内的温度、湿度、甲醛、甲烷以及PM2.5浓度检测，并将测得的数据通过以太网发送至客户端，达到对建筑室内的环境参数监测的目的。经实验测试，该系统工作稳定、测量精度高，具有广阔的市场前景。

空气品质；气体检测；嵌入式系统；传感器

引 言

建筑室内环境是现代社会人类日常工作和休息的主要场所，据统计，人类有80%～90%的时间是在室内度过的，因此，室内空气质量对于人类的健康至关重要[1]。然而，近些年，由于城市化进程以及工业领域的快速发展，致使人类生活的环境污染日益突出。此外，由于房屋装修材料中存在的甲醛等有害物质引起的环境和空气质量问题比比皆是，给无数家庭带来了严重的伤害，越来越多地引起人们的重视。据世界卫生组织部门统计，目前，中国30%以上的建筑物室内控制质量不达标，存在有毒有害气体，严重危害人们的身心健康，严重影响了人类健康安全[2]。另一方面，针对办公场合，调查研究结果表明，良好的室内空气质量有助于提高工作人员的工作积极性，可以提高2%～16%左右的工作效率[3-5]。

总之，无论在家庭还是在办公场所，室内空气质量极大地影响着人们的生活品质、健康水平和生产效率。为此，本文通过嵌入式技术、网络通信技术设计了一款适用于室内空气质量监测的仪器，可以实时监测建筑物内的甲醛(HCHO)、甲烷、PM2.5粉尘等有毒有害物质的浓度，同时也可以监测室内的温湿度等热环境参数，并通过GPRS远程设备传输到用户的手机终端，便于用户了解室内的空气质量。

1 系统方案设计

1.1 需求分析

针对上述对各种气体以及温湿度监测的需求分析，本文设计的空气质量实时监测仪具有如下功能：

① 温湿度监测功能：实时采集室内温度、湿度等热环境参数，并存储记录，当温湿度超出舒适度范围内，进行报警提示。

② 有害气体监测功能：实时采集室内甲醛(HCHO)、甲烷等有害气体浓度，当超出正常范围值时，进行报警提示。

③ PM2.5浓度监测功能：实时监测室内PM2.5浓度，并根据设置的浓度上线进行报警提示。

④ 远程通信控制功能：支持实时或者定时上传模式、支持客户远程修改浓度上限值。

1.2 监测仪系统方案设计

本系统采用高性能ARM7芯片LPC2148作为核心处理器，该芯片内部集成512 KB高速Flash存储器，具有丰富的外设和通信接口，包括2路高速的10位ADC输入通道和1路10位的DAC输出通道，支持UART、SPI、I2C总线等多种串行总线协议，包含多达45个高速GPIO通用引脚[6]。此外，64引脚的LQFP封装非常适用于功耗敏感的小型嵌入式系统中，在工业控制、医疗卫生、数据采集等领域应用广泛。图1给出了室内空气品质监测仪的硬件系统架构图，包括传感器采集模块(气体、温度、湿度等)、液晶显示模块、报警模块以及网络通信模块等。

图1 监测仪整体硬件架构设计

2 系统设计

2.1 温湿度传感器模块

温湿度测量传感器采用的是广州奥松公司生产的一款数字化DHT11模块，该模块内部包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，仅通过一根I/O数据线实现与处理器LPC2148的通信，支持3～5 V供电[7]，具有低功耗、体积小巧、电路简单等优点。硬件电路连接时为提高数据通信稳定性，建议在数据线与电源线之间加入一个上拉电阻。每次通信传感器向处理器传输高位在前，低位在后的40字节数据信息，包含温度数据(16字节)、湿度数据(16字节)以及校验数据(8字节)等信息。传感器的具体参数略——编者注。

图2 DHT11温湿度模块数据通信时序图

图2给出了DHT11模块与LPC2148通信的时序图，默认状态总线处于高电平，LPC2148主动将总线拉低开始一次读取过程，之后将总线恢复高电平，延时等待20～40 μs后读取DHT11的回应信号。DHT拉低总线给出响应，再把总线拉高，准备发送数据。如图2所示，每一位数据都以低电平开始，数据“0”所占的高电平时间大约为26～28 μs，数据“1”所占的高电平时间为116～118 μs。一般而言，一次通信时间最大3 ms，主机连续采样间隔建议不小于100 ms。

2.2 甲醛传感器模块

甲醛气体检测采用电化学式传感器ME3M-CH2O，该模块根据电化学的原理工作，利用待测气体在电极上的电化学氧化过程所产生的电流与其浓度成正比，通过测定电流的大小就可以确定待测气体的浓度。其具有体积小、功耗低、检测范围宽、灵敏度高等特点，广泛应用于家庭及公共场所等甲醛检测等场所[8]。图3给出了ME3M-CH2O传感器的硬件检测电路，通过运算放大器将传感器上检测到的电流信号变化为电压信号并放大，进而送入LPC2148处理器的A/D模块进行采集。

图3 甲醛传感器检测电路

2.3 甲烷传感器模块

甲烷传感器采用的是MC112载体催化气敏元件，传感器的补偿元件和检测元件构成电桥的两个臂，当检测到甲烷气体时，依据催化燃烧化学效应，检测元件的电阻值将升高，引起桥路电压发生变化，产生电压信号强弱与可燃气体浓度成正比关系[9]。MC112的检测电路原理图如图4所示，由于传感器输出的信号比较微弱，这里采用AD623放大器进行放大之后送入LPC2148进行采集处理。

图4 甲烷传感器检测电路

2.4 PM2.5传感器模块

PM2.5粉尘传感器采用的是韩国进口DSM501模块。该模块的工作原理如下：首先通过自加热功能使室内的空气进入模块内部，粉尘粒子被LED发射的探测光照射后印发散射，再经过光电转换器将光脉冲转换为电脉冲，从而完成对粉尘颗粒的识别。该模块可以检测到直径在1 μm以上的粉尘悬浮物，以PWM脉宽调制的方式输出信号，一个DSM501传感器可以检测最大面积为30 m2空间内的粉尘浓度[10]。如表1所列，DSM501模块共有5个引脚，其中3引脚和5引脚为供电引脚，2引脚和4引脚为输出引脚，其中2引脚用来检测最小直径为1 μm的悬浮物，而4引脚用来检测最小值为2.5 μm的悬浮物，但4引脚的检测灵敏度可以通过1引脚进行控制，接入不同阻值电阻可以改变4引脚的检测敏感度。

DSM501的PWM输出波形和检测流程图分别如图5和图6所示。输出的低电平的脉宽在10～90 ms之间，利用式(1)计算出一个测量周期内低电平所占的总时间比例，之后通过线性查表法计算PM2.5粉尘颗粒的数目。检测前首先要让模块进行预热(大约1分钟左右)，之后开始通过LPC2148对DSM501输出的低电平脉冲进行计数，并按照式(1)进行计算并查表。

图5 DSM501传感器输出波形

图6 PM2.5浓度检测流程图

2.5 网络通信模块

网络通信功能是本系统的一个重要组成部分，考虑到传统以太网驱动芯片需要在微处理器内编写驱动程序，存在开发周期较长、开发难度大等问题。本文选用了集成TCP/IP协议栈的以太网驱动芯片W5300，该芯片是韩国WIZnet公司生产的一款多功能的单片网络接口芯片，提供快速的高性能、低成本以太网解决方案[11-12]。该芯片的内部结构如图7所示，电源电压为3.3 V，芯片内部含有1路1.8 V电压调整电路，简化了系统的电源设计；外部输入时钟一般为25 MHz，通过锁相环模块倍频至150 MHz时钟信号；支持8位或者16位并行总线连接方式，最高通信速率可达50 Mbps。

网络模块软件程序主要分为以下几个部分：

① 初始化。对W5300的MAC地址、默认IP地址、默认网关地址设定，初始化SOCKET，并设置TCP服务器工作模式。

图7 W5300芯片内部结构图

② 接收数据。W5300接收数据采用中断方式，当W5100接收缓冲区收到数据之后，会产生一个中断信号，通过LPC2148处理器的中断处理程序进行解析，首先读取接收缓冲区中长度寄存器S0_RX_RSR的值，进而按照数据长度进行读取并返回。

③ 发送数据。处理器接收到客户端的数据请求之后，通过采集相应的传感器信息，首先将待发送数据复制到Socket的TX发送缓冲区，然后在计算待发送数据的长度，并将该信息写入到寄存器S0_TX_WRSR中，之后开始发送数据。

W5300软件驱动程序流程图如图8所示，首先对芯片复位、初始化，完成MAC地址、IP地址等参数设置，复位过程中，要至少保持2 μs的低电平信号，之后等待10 ms左右，待锁相环工作稳定以后，再建立Socket连接，等待程序发送读取或者发送指令，并进行相应操作。

图8 W5300芯片内部结构图

3 系统测试

分别参照《温湿度传感器校准规范》、《甲烷氧气检测报警仪检定规程》以及《光散射式数字粉尘测试仪检定规程》对监测仪的各项指标进行标定，除温湿度测量试验外，其余工况均在温度(20±3) ℃，相对湿度≤60%的室内环境测试，为了提高测量精度，把三组连续测量的平均值记为仪器测量显示值，具体测试数据略——编者注。

通过数据可以看出，温湿度的测量误差在1%左右，测量气体浓度时，当气体浓度较小时，仪器检测结果的误差比较大；而当气体浓度较大时，测量精度相对较高。主要原因是当气体浓度小，检测电路的分辨灵敏度不够。综上所述，本文研发的监测仪可以对生活和生产的环境进行气体浓度的检测，能够满足测量要求。

结 语

本文采用LPC2148芯片作为核心处理器，结合各类传感器，给出了室内空气质量监测系统的硬件电路设计以及软件程序开发。该系统能够自动监测室内甲醛、甲烷、PM2.5等有害物质浓度以及温湿度等热环境参数，通过以太网将数据进行远程传输，易于管理和维护。经测试，该监测仪具有较高的测量精度，系统运行稳定，可以应用于家庭、医院、办公等不同室内场所。同时，本系统采用模块化设计思路，具有良好的移植特性，方案稍加改动，即可应用于其他具有类似功能的监控系统中，具有较高的研究

价值和应用价值。

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(责任编辑：杨迪娜 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

国家自然科学基金面上项目(61472062)；博士后基金项目((2015M571306)；中央高校基本科研业务费项目(DUT15ZD230, DUT16RC(4)20)。

TP274

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�迪娜

2016-07-22)