一种多点式甲醛测试仪的设计方案

杨潘艺 陈俊霏 王慧敏

摘要：甲醛是一种无色、有刺激性气味的气体，其毒性较高，易在常温下挥发，甲醛有3000多种作用，除在可直接作为消毒剂和防腐剂外，还在建筑材料、木材加工、油漆等行业大量使用。世界卫生组织国际癌症研究机构公布的致癌物清单中，将甲醛放在一类致癌物列表中[1]。数字化、准确实时、远程可视的甲醛测试仪是现有甲醛检测的发展方向。本文研制的多点式甲醛检测仪，具备分布式多点检测、检测精度高、功耗低等优点，不仅甲醛浓度的LCD显示，還可通过无线通过将监测数据传输到客户端。

关键词：甲醛检测;多点式检测;GSM;STM32

中图分类号：TP311      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）27-0271-02

随着生活水平的进步，人们在物质和审美层面上对家庭装修有了更多的要求。甲醛具有极好防腐性和粘和性，这使得甲醛存在于大量家具中。甲醛会刺激人体的呼吸道和皮肤，扰乱神经系统，降低免疫力，并且具有致癌作用。现有甲醛检测方案主要为三类：购买专业甲醛检测仪器，仪器价格高，性价比低;请专业检测团队，费用昂贵，过程复杂;使用甲醛检测试纸，准确率低，误差大[2]。随着，移动互联网的发展，移动智能终端更加便捷。本方案使用多个甲醛检测终端通过WIFI连接多点设备，并由母机通过GSM将多点测试数据传输到服务器，客户端将服务器内数据展示给用户。因此，本方案研制出来的多点式甲醛测试仪可以便捷使用，远程监控，数据准确等优点。

1系统流程

多点式甲醛检测仪系统整体结构如图1所示，主要由甲醛检测终端构成的从机，负责与服务器通信的GSM+STM32最小系统构成的母机，Android客户端App，和后台服务器构成。甲醛检测终端构成的从机由主控芯片NodeMcu_ESP8266构成，DART甲醛传感器WZ-S，无线WIFI模块NodeMcu_ESP8266组成，母机由GSM-GA6和STM32F103通信模块构成。Android客户端App主要对监测的数据进行显示和简单分析。服务器使用MySQL数据库设计实现，主要负责存储数据。

2硬件设计

母机主控芯片为STM32F103，串口1、2分别连接WiFi模块，GSM通信模块。从机由NodeMcu_ESP8266串口连接甲醛传感器模块构成。母机和从机通过WiFi通讯。

2.1从机硬件设计

从机电路框图如图2所示，主要由NodeMcu_ESP8266、甲醛传感器模块构成。

2.1.1甲醛模块设计及实现

甲醛传感器WZ-S通过电化学原理对空气中的甲醛进行探测，检测到甲醛气体后，阻值发生改变，然后通过数据处理转变为电信号输出，具有温度补偿，高分辨率，高稳定性等特征。开启Arduino的UART通信，将甲醛检测模块的RX，TX引脚分别连接到Arduino的PD1，PD0。

在串口通信时，甲醛模块通讯波特率为9600，8位数据位，1位停止位，无校验位。通信的命令行如表1所示

2.1.2 WIFI模块的固件刷写

在模块中刷写我们需要的固件能够更好地榨取模块的硬件的性能，实现资源最大利用。为了建立本地传感器网络，需要将每一块WiFi模块刷上一样的固件。将模块的GPIO0接到GND拉低电平，进入刷写模式。采用ESPFlashDownLoadTool刷写工具为其刷写我们需要的特定固件。选择适当的串口和波特率后，将固件载入，注意设置刷写的起始地址，即可进行刷写。刷写结束后断开GPIO0和GND的连接，推出刷写模式，重新进入Flash程序运行模式，RST接GND复位一次即可正常启用刷写了新的固件的模块。

2.1.3 WIFI模块设计及实现

子母机之间的通信使用NodeMCU_ESP8266串口WIFI模块。ESP8266模块电路设计较为简单，模块有串口发送接收引脚，仅需给其供电并将其TXD引脚（串口发送脚）接STM32的UART3的PB11引脚（串口3接收脚），RXD引脚接处理器的PB10引脚（串口3发送脚），模块运行于AP工作模式，并设置为TCP服务器，作为无线WIFI热点，等待客户端App的连接，实现串口与App的无线数据转换互传。

2.2母机设计

母机电路框图如图3所示，主要由STM32F103ZET6主控芯片，GSM-GA6，NodeMCU_ESP8266WIFI模块。

2.2.1 GSM模块设计与实现

GSM-GA6模块功能指标：工作电压3.5V-4.2V;灵敏度<-107支持语音通话支持SMS短信支持移动和联通2G，以及全球的GSM网络最大数据速率，下载85.6Kbps，上传42.8Kbp。支持2个串口，一个下载串口，一个AT命令口，AT命令支持标准AT和TCP/IP命令接口，可与服务器进行TCP-IP连接，可以收发数据。同时也支持数字音频和模拟音频，支持HR，FR，EFR，AMR语音编码

3软件设计

3.1从机软件设计

从机上电初始化，启动甲醛传感器，开始甲醛浓度检测，WIFI模块连接母机WIFI热点，设置每隔一段时间，通过串口不断传输甲醛传感器检测数据回到母机。

3.2母机软件设计

母机上电初始化，将WIFI模块运行于AP工作模式，开启热点，等待从机连接。串口2连接GSM-GA6模块，GSM-GA6模块建立TCP连接到服务器。母机将各从机发送到的数据通过串口1转发到串口2等待发送，TCP连接成功后，串口2根据接收到数据的先后将数据发送到服务器按从机编号进行存储，等待调用。

3.2Android客户端设计

本系统的Android客户端App开发环境采用谷歌公司新推出的AndroidStudio，AndroidStudio提供了集成的Android开发工具用于开发和调试[3]。客户端只和服务器进行通信，基于客户端的运行原理，服务器不能主动向客户端推送数据，客户端想要获得数据智能主动向服务器发起请求获取。客户端会定时向服务器发送请求，得到包含数据的soket包。客户端展开数据包后拆分数据，根据之前的设定将数据显示在不同的页面上。用户也可手动向服务器发送数据请求，刷新数据。得到不同监测点数据后，客户端将采集点的数据和对应的传感器坐标综合起来进行显示，生成一个反映甲醛浓度分布的热力图与一个室内甲醛随时间变化波动的检测报告（图4、5）。

4 结束语

综上所述，多点式甲醛测试仪设计方案可以实现多点检测甲醛浓度，并通过安卓客户端APP实现数据的展示，和其他用户服务，从软件和硬件的联合完成多点式分布甲醛的一体化检测和展示。万物互联的想法完全融入本设计方案中，充分体现了智能化、节能化、简洁化等特点。适用于房屋装修、环境监控等情景，具有极强的商业价值。

参考文献：

[1] 国家食品药品监督管理总局，世界卫生组织国际癌症研究机构致癌物清单，[EB/OL]，http：//samr.cfda.gov.cn/WS01/CL1991/215896.html.

[2] 卢春池，陈向东.共享式社区服务甲醛检测系统设计[J].电子设计工程，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。

【通联编辑：光文玲】