室内有害物质监测与控制系统的设计

高纪男，高治军，韩忠华

（沈阳建筑大学信息与控制工程学院，辽宁沈阳 110168）

近年来，科技与经济水平飞速提开，人们在室内度过的时间也急剧增加[1]，环境污染问题的出现使得人们对于绿色健康生活的意识逐年提升，对所处生活环境的关注也越来越多。我国大部分城市均出现了雾霾天气，其主要成分PM2.5，对室内的污染愈演愈烈，常见的室内污染还包括TVOC 与甲醛等，严重威胁了人体的身心健康[2]。

伴随着单片机技术、无线通信技术与自动控制技术的不断完善，信息时代走进了我们的日常生活中，为了将科技与生活完美的融合在一起，文中设计实现了一个以STM32 系列单片机为核心，集监测与自动控制为一体的智能系统，旨在实时监测室内有害物质，及时净化室内环境，做到防患于未然。

1 系统的总体设计

室内有害物质监测与控制系统运用了模块化设计思想，包括电源模块、传感器模块、微控制器模块、新风机驱动模块与WiFi模块。

电源模块将单一电压转换成不同电压值后，完成对系统各部分的供电[3]，系统采用了5 V 直流电源，ASM1117 将5 V 降压成稳定的3.3 V 后供给微控制器与WiFi 模块，其余外设则使用5 V 供电电压。传感器模块负责采集室内PM2.5、TVOC 与甲醛的浓度值，微控制器得到各传感器的参数值后，通过层次分析与模糊综合评价相结合的决策级数据融合方法，运算得出此时室内环境质量的综合评价结果。若室内出现污染，微控制器将发出信号控制新风机驱动模块，并根据得出的室内污染程度，选择打开新风机的低速还是高速模式，从而达到净化室内环境的效果。系统的本地数据会经WiFi 模块联网发送至云平台（选用了乐联网云平台），用户便可随时随地登录平台查看室内实时数据信息[4]。系统的总体框图如图1 所示。

图1 系统总体框图

2 系统的硬件设计

2.1 微控制器模块

系统采用中等容量增强型ARM 芯片STM32 F103C8T6，使用3.3 V 直流电供电，最高工作频率为72 MHz，存储器零等待周期，即数据的处理无需响应时间，且可在单周期内完成乘法和硬件除法[5]，该芯片采用48 引脚封装，高性能、低成本、低功耗的优势使其在众多单片机中脱颖而出。内置64k 字节的闪存程序存储器与20k 字节的SRAM，设有7 通道DMA控制器，可直接向处理器传输数据。外设接口也非常丰富，2个I2C接口、2个SPI接口、3个USART接口、3个通用16 位定时器等，2 个12 位模数转换器不仅实现了高精度的模数转换，还可以简化外围电路的设计，同时具备强大的控制功能完全可以满足本设计的需要。

2.2 传感器模块

对PM2.5 的采集选用夏普GP2Y1026AU0F 光学粉尘传感器[6]，该传感器出场时已进行串口的无尘标定，采用先进的光敏检测机理，避免了其他粉尘传感器需要在特定温度下才能稳定工作的问题[7]。在装置内，含有一个发光二极管和光接收元件，LED 定向发出光线，在空气清洁的情况下，光接收元件收不到LED 光，此时经转换输出的电压值很低，反之LED 发出的光线会照射到尘埃粒子上发生散射，散射光射入光接收元件，电压值拉高。根据此原理，当空气中尘埃粒子越多，光线散射便越多，电压值随颗粒物浓度的升高而升高。系统采用5 V 直流电对其供电，输出方式为串口通信，上电后传感器便可根据通信协议周期性地向微控制器发送粉尘浓度数据。电路连接图如图2 所示。

图2 PM2.5电路连接图

对TVOC 的采集选用盛思锐生产的SGP30 金属氧化物多像素传感器，它是一款单一芯片上集成多个传感元件的气体传感器，表面附有防水防尘保护膜，不但能对有害气体进行检测，还能在实际应用中抵制污染气体不受损坏，从而实现优异的长期稳定性和低漂移。TVOC 可使金属氧化物表面的大气氧浓度降低，造成电导带中电子数量的增加，使半导体的电导率发生改变[8]，通过内部基线补偿算法等处理后转换成TVOC 的浓度值，系统采用5 V 直流电为传感器供电，将其挂载在I2C 总线上输出数字信号。电路连接图如图3 所示。

图3 TVOC电路连接图

对甲醛的采集选用MQ-138 半导体气敏传感器，检测气体的主要部分为二氧化锡（SnO2）敏感层。在清洁的空气中，二氧化锡的电导率较低，当所处环境存在甲醛蒸汽时，电导率会随其浓度的增加而变大[9]，最后通过简单的电路将电导率的变化转换为与气体浓度相对应的输出信号。系统采用5 V 直流电为其供电，输出的信号为模拟量，因此需与微控制器具有ADC 模数转换功能的引脚相连。电路连接图如图4 所示。

图4 甲醛电路连接图

2.3 WiFi模块

对无线通信功能的实现选用高度片内集成的ESP8266串口WiFi模块，内置完整的TCP/IP协议栈，具有支持无线802.11 b/g/n 标准[10]、UART/GPIO数据通信接口、STA/AP/STA+AP 3 种工作模式等特点。系统设计时将模块配置成STA 工作模式，通过路由器（AP）将系统接入Internet，即为系统添加联网功能，成为室内系统与外部网络连接之间的转换桥梁，以便将微控制器处理好的数据发送到云平台上，系统采用3.3 V 直流电为其供电，与微控制器的USART2 串口连接，并选用了模块数据透传的模式。电路连接图如图5 所示。

图5 WIFI模块电路连接图

2.4 新风机驱动模块

该模块直接与用户的体验挂钩，通过开关量的电磁继电器完成对新风机低速或高速模式的驱动，所选继电器的型号为SRS-05VDC-SL，可实现用微弱电信号的输入，控制大功率电路的输出。微控制器发送信号指令到继电器，继电器控制电源线的连接[11]，当室内污染物浓度为轻度污染时，从微控制器产生的信号驱动电路触发新风机低速开关，重度污染则触发高速开关。采用5 V 直流电供电，以系统中一路继电器为例介绍其电路的连接，在微控制器与继电器之间串联了一个三极管放大电路。电路连接图如图6 所示。

图6 继电器电路连接图

3 系统的软件设计

3.1 系统主程序

对系统硬件进行模块化设计完成后，需设计出相辅相成的软件部分，二者完美的结合才能使系统顺利运行。

系统采用C 语言，Keil 软件进行编程、调试与仿真，并对软件的各部分进行封装，以便后期的维护与升级。主程序为一个死循环，系统上电后，首先通过初始化函数对各硬件及接口进行配置[12-13]，确保硬件的正常工作与稳定连接，之后进入循环状态：传感器采集完室内环境数据后，把数据传输给微控制器进行处理，每完成一次数据采集传输，微控制器就会对数据按事先编好的控制逻辑进行运算，当运算结果为此时室内环境质量处于“清洁”状态时，系统将不会对新风机进行驱动；当为“轻度污染”时，系统驱动开启新风机低速模式；当为“重度污染”时，系统则驱动开启新风机高速模式，最终把实时数据通过WiFi模块发送到乐联网云平台后，系统将继续采集数据重复执行以上操作步骤。系统的主程序流程图如图7所示。

图7 主程序流程图

3.2 控制逻辑

3.2.1 层次分析法

美国运筹学家Saaty 于20 世纪70 年代初提出了著名的层次分析法[14]。首先用层次分析法求出室内各有害物质的权重，组成权重向量，其步骤为：

1）构造判断矩阵P，对各因子进行两两比较，其各占有一定的比例，引用数字1～5 及其倒数作为标度来创建判断矩阵。对数字1～5 标度的定义如表1所示。

表1 1～5标度定义

对甲醛、PM2.5 和TVOC 进行两两比较得到的结果如表2 所示。

表2 比较结果

按照表2 的结果，确定出判断矩阵P：

2）对P进行列向量的归一化得P1：

求P1的行和得到列向量P′：

根据P′求出W：

由P和W求出特征值：

依据PW=λW的原则，求出λ的最大值：

3）计算一致性指标CI：CI=(λmax-n)/(n-1)。当CI为零时，表示完全一致，CI接近零为比较一致，CI越大，则代表不一致。

4）计算一致性比例CR：CR=CI/RI，其中RI为平均随机一致性指标，如表3 所示。

表3 随机一致性指标

当CR＜0.10 时，认为判断矩阵的一致性是可以接受的，从而得出评价因子集的权重WT，否则还需对判断矩阵再次作修正。由于0.038＜0.10，故得到评价因子的权重WT=[0.634 0.260 0.106]，即甲醛的权重为0.634，PM2.5 为0.260，TVOC 为0.106。

3.2.2 模糊综合评价法

所谓以模糊数学理论为基础的模糊综合评价，就是应用最大隶属原则和模糊变换原理，对多因素影响的事物或现象进行总的评价[15]，其步骤为：

1）构建评价因子集：U={甲醛，PM2.5，TVOC}，因子集为所需的环境质量参数。

2）构建评价等级：V={1 级，2 级，3 级}，3 个等级分别对应了清洁、轻度污染、重度污染，其中1 级标准为国家的标准值，2 级为两倍的标准值，3 级为三倍的标准值。甲醛的国家标准值为0.10 mg/m3，PM2.5为0.075 mg/m3，TVOC 为0.60 mg/m3。

3）选择降半梯形函数的形式来构建各评价因子对评价等级的隶属度函数[16]，对于1 级评价，计算公式如式（9）所示：

对于2 级评价，计算公式如式（10）所示：

对于3 级评价，计算公式如式（11）所示：

其中C为检测值，V为相应的标准值。

4）用以上各级隶属度函数的计算结果构造成3×3 的隶属度矩阵R。

5）对权重WT和隶属度矩阵R进行合成，再根据最大隶属度原则得出最终的评价结果。可供选择的合成算子有M(∧,∨)、M(·,∨)、M(∧,⊕)和M(·,⊕)4种，式（13）为主因素决定型，适用在单因子评价模型中，式（14）为主因素突出型，与第一种较相似，式（15）为不均衡型，对权重的作用不够明显，式（16）为加权平均型，适用于综合评价模型，因此最终选择了该算子。

4 系统测试

按上述设计的方案，将STM32 单片机、各传感器以及WiFi 与新风机驱动模块等搭建成整个系统，硬件连接图如图8所示。把编程并编译好的软件程序烧录到单片机中，上电后经WiFi模块将数据上传到了乐联网云平台，利用上网终端登录平台，远程查看到室内实时监测的结果如图9所示。经统一单位转换后，得PM2.5 的值为0.042 mg/m3、TVOC 为0.205 mg/m3、甲醛为0.075 mg/m3，经软件逻辑运算的模糊综合评价结果为0，0 代表了室内环境清洁，微控制器此时不需下达指令控制新风机工作。所得数据与传统设备检测的结果进行比较，PM2.5 的值相差1 μg/m3，TVOC 相差4 μg/m3，甲醛相差6 μg/m3，误差均在传感器采集允许的范围之内，表明该系统运行良好，可精确监测室内有害物质的状况，并可根据评价结果自动控制新风机的状态，满足设计要求。

图8 硬件连接图

图9 测试结果界面

5 结束语

该文设计的室内有害物质监测与控制系统以微控制器为核心，实时监测室内环境PM2.5、TVOC 和甲醛的指标，另外使用层次分析与模糊综合评价相结合的方法对室内环境质量进行了综合判别，实现了对新风机分级调速的方案。同时通过WiFi 模块实现了将实时数据传输至云平台的功能，用户可通过任何智能终端登录平台远程查看室内环境信息，使该系统对室内环境的把控和调节更加智能化，在易用和功能上都表现出了优异的性能，成本也严格控制在千元以内，具有良好的应用前景。