基于物联网的甲醛检测系统研究

雷久淮，姚岛，王微，潘少祠，覃凤

1.广东省科学院电子电器研究所,广东，广州510400；2.河源市省科院研究院，广东，河源517000；3.广东理工学院，广东，肇庆，526100

0 引言

随着经济社会的发展，人们在室内工作和生活的时间越来越多，室内空气质量与人们的生理和心理健康状态联系也越来越紧密。现代建筑大多为框架高层结构，室内外直通风少，室内空气质量容易恶化。甲醛是一种无色的刺激性气体，2017年被世界卫生组织列为一类致癌物。甲醛普遍存在于涂料、胶黏剂、衣柜、纺织品、日常清洁剂等材料中，是室内空气恶化的最主要来源之一[1]，已严重危害到人们的生命健康。目前，针对室内低浓度甲醛气体的检测，还多采用现场气体采样后，送往实验室采用酚试剂分光光度计、气相色谱仪进行分析等化学测试方法，它不仅需要严格的实验步骤，同时还要求检测人员有较高的专业素养[2]。因此设计一款操作简单、能够快速检测的便携式甲醛检测系统具有重要的社会和经济意义[2-4]。

本文设计并实现了一种基于电化学传感器的互联网+甲醛监测系统。采用传感器法，可以对室内温湿度、甲醛等进行自动采样检测，当采样数据超过标准时，可进行声光报警。同时，该系统还可以将数据上传到物联网后台进行实时采样数据分析和历史数据统计。

1 系统硬件设计

1.1 硬件系统总体设计

本系统主要由MCU单片机控制模块、无线WiFi模块、TFT液晶显示模块、时钟模块、甲醛测量模块、温湿度检测模块、报警模块等模块组成。系统主要通过STC8A8K 单片机所构成的控制电路，采集甲醛浓度、温湿度等参数，并将相关参数显示在LCD液晶模块中，同时，通过WiFi将数据同步上传到服务器（图1）。本文设计的检测系统主要面向民用消费领域，因此硬件的总体设计原则为便携和高性价比。

图1 互联网+甲醛测试系统架构

1.2 STC8A8K

STC8A8K是一种具有超强抗干扰能力的高性价比低功耗高速微型处理器，内部有3个时钟源，同时具有64个IO口，丰富的数字和模拟外设接口资源有利于多个外设功能设备的实现。

1.3 ESP-WROOM

ESP-WROOM是一款基于ESP8266EX内核设计的高集成度低功耗无线模组。最大时钟速度为160 MHz，可满足不同频率的要求。通过TCP/IP 协议栈可以很方便地实现WiFi与串口UART的通信转换[5]。ESP-WROOM有STA、AP和AP+STA三种工作模式。本设计中，ESPWROOM模块的工作模式为AP+STA模式，通过它接入无线路由器，从而将采集前端数据上传至上位机，实现远程监控。ESP-WROOM芯片采用3.3V供电，EN脚置高电平，GPIO15脚置低电平，RXD、TXD脚分别与MCU P1.0和P1.1相连。

天线是无线通信系统最前端的核心元件，其性能优劣直接关系到整个系统性能。为了满足消费电子设备小型化的需求，本设计中ESPWROOM采用外置天线的方式，选用的天线为自主研发的双频段共形天线。该共形天线采用改进的传输耦合线理论，通过阶跃阻抗谐振器产生双频段性能，其谐振频率可以通过公式（1）计算得到。同时，通过共形实验测试分析，可以知道形变对该天线性能影响较小，适合工程应用。

1.4 甲醛传感器

目前，甲醛的测试方法有气相色谱法、液相色谱法、分光光度法、电化学法等。ZE08传感器是一种电化学甲醛模组，利用电化学原理对甲醛进行检测。当空气的甲醛分子被传感器系统吸收后，产生一个与甲醛浓度成正相关的电信号。其内部设有温度传感器，可以根据温度变化进行温度补偿，具有良好的稳定性。ZE08工作电压为3.7～5.5V，量程为0～5ppm，分辨率小于0.01ppm，恢复时间小于1分钟。控制芯片MCU P5.0和P5.1与ZE08传感器进行通信连接。

1.5 湿温度传感器

DHT11是一款高精度、低成本、数字化的湿温度复合传感器，其内部测温元件采用的是NTC。其与MCU的通信方式可通过单总线数据格式，一个数据端口就可完成双向数据传输。湿度和温度数据总为40Bit，采用校验和方式一次性传输给MCU。湿度精度为1%RH，温度精度为1℃，分辨率为16Bit，采样周期为1秒。

1.6 显示电路

人机对话显示屏采用2.8寸65K色显示TFT彩色液晶显示屏，分辨率为320*240，驱动芯片采用低功耗单芯片控制驱动器ILI9341。该显示屏具有低功耗、寿命长、接口简单等特点。驱动芯片采用16位模式数据模式，控制线RS、WR、RD、CS、RST 分别与MCU P3.5、P3.6、P3.7、P4.4、P4.3相连，数据线低八位数据端口为P7口，高八位数据端口为P0口。MCU发送一个数据给显示电路的控制流程为：片选TFT使能端口→RS置高电平写数据→P0和P7口分别给颜色高字节和低字节→WR置低电平、WR置高电平和写数据。

1.7 报警电路

系统报警模块采用声光结合的方式，分别使用TFT真彩液晶显示器、红色LED灯和蜂鸣器实现。蜂鸣器具有高分贝声音、控制简单的特点。MCU P6.1脚与PNP三极管的B极相连控制蜂鸣器。红色LED灯具有较强的显示度，能满足在光线不强条件下仍具有较强显示度的要求，它与MCU P6.4脚相连。TFT显示器上设有二极管、蜂鸣器状态显示区，可实时显示声光报警的状态。当甲醛浓度超过了设定的标准值时，LED和蜂鸣器报警，同时通过WiFi模块将告警信息上传至上位机服务器，实现远程监控。

2 系统软件设计

2.1 软件系统总体设计

微控制器采用STC单片机，分析处理温湿度、甲醛浓度，对蜂鸣器、发光二极管和WiFi模块等进行控制。本系统采用模块化、结构式的编程思路，按照需要的系统功能进行设计，软件模块主要包括甲醛浓度测试模块、时钟模块、温湿度模块、显示模块、无线WiFi模块等。

软件设计流程：（1）开机后，进行系统初始化；（2）完成初始化，采集温湿度、甲醛浓度值；（3）对采集的温湿度、甲醛值进行运算处理；（4）将处理后的数据传送到TFT 显示器和上位机；（5）对运算后的数据与阈值进行比较，如果超出阈值则进行报警；（6）重复（2）～（5）操作。

2.2 甲醛浓度测试模块软件设计

微控制器与甲醛传感器采用UART通信方式，波特率为9600，数据位为8bit，模块每隔1s向MCU主动传送数据，MCU按图2所示流程进行甲醛数据处理。甲醛数据传输采用求和校验，其计算公式如下：

图2 甲醛浓度测试模块软件设计流程图

甲醛浓度拆分成2bit传输，MCU接收数据后需再计算才能得到浓度值，计算公式如下：

2.3 物联网模块软件设计

ESP-WROOM与MCU P1.0和P1.1相连，采用串口2通信，波特率设置为115200。ESP-WROOM以AP+STA的模式接入到局域网路由器。通过开通ESP-touch功能、airkiss功能，首次接入新路由器时，可能过手机软件或微信小程序通过广播的方式告诉检测仪WiFi密码，实现连网智能化。当长时间没有WiFi密码输入或输入密码错误次数过多时，可自动进入离线工作模式。

uart2_sendstr(espHCHO_at); //向WiFi模块发送握手AT指令

uart2_sendstr(espHCHO_CWMODE_DEF);//对物联网模块工作模式进行设置

uart2_sendstr(espHCHO_CWAUTOCONN);//上电后自动连接热点AP

uart2_sendstr(espHCHO_CIPSTATUS);//查询ESP-WROOM模块网络连接状态

uart2_sendstr(espHCHO_CWSTARTSMART);//配置感知WiFi密码功能

uart2_sendstr(espHCHO_CWSTOPSMART);//释放配网所占用的资源内存。

uart2_sendstr(espHCHO_CWSTARTSMART);//配置支持ESP-touch和airkiss,如果没有输入密码或输错，重新输入

uart2_sendstr(espHCHO_cipmux); //串口2对WiFi模块 设置多连接 （多路连接模式）

uart2_sendstr(espHCHO_server); //启动TCP/IP端口为8000 实现基于网络控制

uart2_sendstr(espHCHO _cifsr); //串口2查询WiFi模块当前IP地址

uart2_sendstr(“AT+CIPSEND=2,60 ”); //配置ESP发送数据 数据长度为60

uart2_sendstr(date_array); //发送数据组date_array给服务器

3 系统测试

甲醛检测系统经过加工调试后，其实物如图3所示。系统可实时显示WiFi和服务器的连接状态，可显示LED和蜂鸣器声光报警状态，同时，时钟掉电重启后仍然能正常计时。经对比实验验证，所测温湿度数值准确，能满足民用需求。系统遵从GB T18883-2002《室内空气质量标准》，当甲醛浓度超过100μg/m3时，系统可发出声光报警。

图3 甲醛浓度测试系统实物图

4 结论

本文介绍了基于物联网的甲醛检测系统研究，系统的甲醛测试功能具有高稳定性、高分辨率、低功耗、环境耐受能力强的特点，能满足不同环境条件下的测量要求。同时系统具有测量湿温度、时间同步、声光报警、无线接入等功能，不需要再借助其他额外测试试剂或工具，具有高可靠性，可适应不同的检测环境，能广泛适用于家居和公共场所的甲醛定量定性测量。