基于STM32的微波通信甲醛实时检测及快速净化系统

黄嘉民 曹佳帅 王祖望 王新辉

（长沙学院 湖南省长沙市 410003）

众所周知，人们搬进新家之前都会进行精装修，而装修过程中就会出现一种很常见的有毒气体，那就是甲醛，它是当今社会中最主要的室内污染物。研究证明，空气中的甲醛对人体的危害随着浓度升高而增大。当空气中甲醛浓度为0.1mg/m时，人体就会感到不适；当浓度为0.2mg/m时，会使人患上咽喉炎、哮喘等病症；当浓度为0.5mg/m时，会刺激人的眼睛；当浓度大于0.6mg/m时，将对人体有致癌的危险，尤其是婴儿，近年来国家又大力推广三胎政策，而婴幼儿的免疫系统还没有完全健全，此时如果室内甲醛含量超标，可能会引发急性白血病，造成生命危险。因此，实时探测及快速清除甲醛气体，并且可以通过信息传递提醒人们此时室内的甲醛浓度，能拓展信息的维度及其可辨识度，可以帮助人们远离有毒气体（甲醛）对人体的危害，也是为环境净化奠定了基础。

甲醛、苯、氨气、氡气等是室内空气中常见的污染物，其中最为突出的是甲醛污染问题，是最主要的超标因素，被称作室内“污染物之王”。装修过的房间总飘荡着刺鼻气味，停留的时间稍长，人就会出现头昏、刺眼、喉痛、胸闷、呕吐、晕厥等不良反应，多半是甲醛危害的直观表现。据全国各地的室内空气检测数据分析，装修后的室内空气都存在不同程度的空气污染，其中以甲醛污染最为严重。室内甲醛的主要来源是室内装修材料及家具，尤以所用人造板为甚。室内甲醛污染影响人们的健康，已引起人们的高度关注，那么室内甲醛污染对人类健康的危害到底有多大呢？根据国内的医学杂志相关文献报道，室内甲醛对人体健康的危害可归纳为刺激作用、毒性作用和致癌作用。

现如今市场上的大部分甲醛检测仪存在检测周期长、操作复杂、成本高等不足，并且现有的甲醛检测仪器很多都只有检测甲醛浓度的功能，并没有将其定向清除的能力，为了达到清除甲醛的效果还得另外购买专门清除甲醛的装置，这无疑是增加成本，给人们的生产生活带来不便。为此，设计一款适合家用的甲醛检测及净化仪器，以满足居民对室内空气质量检测的需求。

1 项目相关技术

1.1 电化学甲醛检测

本设计在传统的气体检测装置基础上进行了创新，使用电化学的原理来检测室内甲醛浓度。将装置放置入检测区域后，利用电化学原理能够对空气中的甲醛进行快速的检测，检测出的浓度值可以通过数字输出以及模拟电压输出从而更好的与STM32进行信息的交互，检测速率极快，且本装置对于酒精，一氧化碳等干扰气体具有一定的抗干扰性，能够提供较为精准的检测数值。本设计采用一款通用型、小型化的气体传感器ZE08-CHO，内置温度传感器，可以在刚启动时为气体传感器进行加热，达到工作状态，提供UART、模拟电压信号和PWM波形等多种输出方式。具有优秀的抗干扰性、温度补偿、卓越的线性输出。主要应用领域包括便携式仪表、空气质量监测设备、空气净化机、新风换气系统、空调、智能家居设备等场所。

1.2 三氧分子概述

三氧分子俗称臭氧，是氧气的一种同素异形体，拥有极强的氧化性，在常温下可自行还原成氧气，在化工生产中，臭氧可以代替很多催化器氧化或高温氧化，从嗅觉上略带鱼腥味，有杀菌、净化空气、促进血液循环等功效。本设计采用的方法是：利用臭氧发生器将周围的氧气分子通过强电场作用，转换成三氧分子对空气中的甲醛气体进行氧化还原反应，达到甲醛净化的功效。臭氧可以迅速分解装修污染气体，非常快速的去除装修材料释放出的甲醛、苯和氯气等各种有害气体，有着迅速净化室内空气的作用；同时还能杀灭空气中的细菌，可以迅速杀灭细菌繁殖体、芽孢真菌、病菌等病原微生物，对室内空气和物品达到消毒的目的。不仅如此，三氧分子还可迅速还原成氧原子，可以大幅度地增加室内氧气浓度,促进血液循环和新陈代谢，预防各类心脑血管疾病发生；同时由于三氧分子还原成氧气时会释放较多的负离子，能有效净化空气，同时还能够激活空气中的氧分子而形成携氧负离子，活跃空气分子，改善人体肺部功能，增强人体的免疫能力，调节中枢神经系统，使人保持清醒、思维活跃等。

1.3 氧化还原净化原理

自然界中存在着很多氧化还原反应，强氧化性的气体可以轻松氧化强还原性的气体并生成其他的气体成分。常见2HCHO+2O=2CO+2HO+O的净化甲醛的方法有开窗通风和等离子净化都有一定的局限性，开窗通风清除的速度慢，效率低；负离子净化价格过高且净化效果差强人意，不利于在日常生活中净化甲醛。因此我们采用三氧分子实现快速净化甲醛的功效，三氧分子就是我们俗称的臭氧，拥有极强的氧化性，其具体实现的方法是利用高浓度臭氧与空气中的甲醛发生化学反应，其反应原理为：高浓度三氧分子具有强氧化性，并利用臭氧、甲醛分子1:1等摩尔比反应，将甲醛分子中具有毒性的碳氧共价双链键破坏掉，并转化为对人体无毒无害的水和二氧化碳，不会对环境造成污染，同时也可以利用臭氧的强氧化性来分解空气中的异味、细菌病毒以达到空气净化的功效。其中三氧分子与甲醛气体的氧化还原反应化学方程式及分子结构如图1所示。

图1：三氧分子与甲醛产生反应示意图

1.4 无线串口通信

现有检测甲醛的方法：都需要人为手持设备去检测，检测过程中可能会吸入较多甲醛。我们需要一种能够在超远距离为我们提供室内甲醛浓度的方法。所以我们采用两块LORA无线串口作信息传输模块，它是一款体积小、功率要求低、功耗低、性能高的远距离LORA无线串口模块。本模块相当于拥有32个信道。可以将其作为串口使用，在本设计中也是利用了串口的功能，检测净化装置中的LORA在接收单片机指令后，发送给接收机的LORA中，接收机在通过指令反馈给检测净化装置，从而实现了信息交互效果

。

1.5 微波通信

结合了ATKSIM900C集成的GPRS模块无线通信功能和高性能微处理器及嵌入式TCP协议实现基本的通信功能。当系统检测到室内甲醛浓度超过安全阈值时，使能STM32处理器中的串口引脚，经过STM32处理器处理后经串口发送给GPRS模块最后发送信息到数据上位机上。我们使用该模块来监测室内甲醛浓度，若室内甲醛浓度超过设定的安全范围时，通过AT指令发送一条“甲醛浓度超标，禁止入内”的短信给设定的用户手机卡中，实现超远距离人机交互。

1.6 本设计的创新点

首先本设计在传统的气体检测装置基础上创新，使用电化学原理检测室内甲醛浓度；实现了超快并实时检测的效果。若甲醛浓度超标则启动净化功能，未超标时关闭净化功能；其次是本设计在传统的气体清除装置基础上创新，使用臭氧发生器智能产生三氧化气体，对甲醛进行化学反应，利用高浓度臭氧的强氧化性会使臭氧原子核强制夺取甲醛分子共价键中的电子，转化成对人体无害的水和二氧化碳。最后是在传统的信息传输装置基础上创新，增加了GPRS模块和LORA无线串口模块，实现了探测清除的同时向用户发送报告信息的功能，保障室内空气质量能够允许人们自由进入。实现了可远距离高频通信的甲醛检测及净化系统一体化、自动化。

2 系统硬件板块构成

本系统由LCD显示模块、OLED显示模块、甲醛检测传感器模块、12V电源模块、降压稳压模块、臭氧发生器模块、主控MCU模块，GPRS模块、无限串口模块、蜂鸣器模块等组成。甲醛浓度信息通过LCD显示，OLED显示屏携带在客户身上，通过数字及文字直观地显示在屏幕上，让我们的客户能够实时观察装修室内的甲醛浓度及清除情况。电化学甲醛检测传感器模块用于检测室内甲醛气体与装置发生电化学反应所产生的浓度，电化学甲醛传感器安装在的正在装修、装修完毕的房间中或者汽车车内等处，当室内甲醛浓度超标时，立即向STM32控制器发送信号。利用无线串口模块设计了甲醛检测接收机，用LCD实时显示室内甲醛浓度，并通过GPRS基站模块检测到浓度超标后向用户手机发送警报短信，通知用户该区域甲醛浓度达到危险值，臭氧净化模块则会在甲醛浓度超标的情况下智能释放高能浓度臭氧分子来净化环境。电源模块用于为整个系统提供能源。系统硬件框图如图2所示。

图2：系统整体框图

检测净化装置硬件设计：

检测净化装置由PCB电路板、微处理器、电化学甲醛检测传感器、臭氧发生器、减压稳压模块、12V电源、蜂鸣器、LCD显示屏结构构成。当装置检测到室内甲醛浓度超标时，会启动蜂鸣器报警并导通PNP三极管驱动臭氧发生器发出臭氧，待室内甲醛浓度恢复正常之后，停止蜂鸣器和臭氧发生器工作。检测净化装置硬件电路原理图如图3所示。

图3：系统电路原理图

核心微处理器硬件设计：

本系统中采用的是ARM Cortex M3处理器内核的32位Flash闪存微控制器STM32芯片，其具体是使用了STM32F103C8T6控制板来对系统进行整体控制。手动开关控制甲醛检测及净化装置的启动以及断电。该控制器使用的主流的Cortex内核，拥有丰富合理的外设以及较低的功耗，同时在软件开发过程中十分容易对软件进行编写以及更改、减少软件的开发时间，同时有较快速的信息处理能力等特点。

甲醛检测硬件设计：

本设计的检测模块使用的是电化学甲醛模组，将装置放置入检测区域后，利用电化学原理能够对空气中的甲醛进行快速的检测，检测出的浓度值可以通过数字输出以及模拟电压输出从而更好的与STM32进行信息的交互，同时具有高灵敏度、高灵敏度和较低的功耗的优点，且本装置对于酒精，一氧化碳等干扰气体具有一定的抗干扰性，能够提供较为精准的检测数值。

臭氧发生器净化模块设计：

利用臭氧发生器中的强电场作用，使周围的氧气分子转换成三氧分子。三氧分子与甲醛反应，选用5V供电的臭氧发生器，采用PNP三极管来控制发生器的导通情况，基于三极管的导通原理，我们将PNP三极管栅极接在STM32处理器的任意推挽输出的引脚上，当系统检测到室内甲醛浓度大于设定的安全范围时，栅极所对应的引脚输出高电平，臭氧发生器导通；当系统检测到室内甲醛浓度小于设定的安全范围时，栅极所对应的引脚输出低电平，臭氧发生器关闭。

接收机模块设计：

接收机由微处理器、无线串口、GPRS、稳压电源、OLED显示屏组成。当接收到的室内甲醛浓度值大于安全范围，则激活GPRS向数据上位机发送信息。接收机模块组成框图如图4所示。

图4：接收机模块组成框图

检测净化装置模块设计：

由稳压后的5V电源供电，微处理器采用STM32F103 C8T6最小系统板，显示屏选用经典的LCD1602A，甲醛检测传感器与无线串口通过串口连接到STM32F103C8T6最小系统板上，利用两块PNP三极管对臭氧发生器与蜂鸣器进行智能控制。

微波通信模块设计：

微波通信由无线串口和GPRS模块将检测净化装置与接收机无线连接，包括无线串口、高频通信、无线通信技术、TCP协议等等。可以实时超远距离传输甲醛浓度数据，将数据传送至接收机，接收机显示数据最后通过基站模块发给数据上位机，若室内甲醛浓度大于0.1mg/m时，基站模块向数据上位机发送“禁止入内！！！”，并通过GPRS模块向指定手机卡中发送危险报警；若室内甲醛浓度小于0.1mg/m时，基站模块向数据上位机发送“允许入内！！！”，并通过GPRS模块向指定手机卡中发送安全状态。微波通信模块组成框图如图5所示。

图5：微波通信模块组成框图

3 系统软件板块设计流程

本系统安装在正在装修及装修完毕后的房间中，当室内甲醛浓度超标被气体传感器检测到，系统控制中心对产生的信号进行智能分析判断后发出控制信号，启动臭氧发生器清除甲醛气体，并通过蜂鸣器报警，同时通过无线串口将数据发送给接收端，GPRS模块发送信息给用户，该系统的软件板块设计流程如图6所示。

图6：系统软件板块设计流程图

5 结语

目前市面上甲醛检测仪存在检测周期长、操作复杂、成本高等不足，不考虑空间的实际大小。现有净化甲醛的方法：开窗通风和负离子净化，都有其局限性，不利于在日常生活中清除甲醛。为了克服现有的甲醛检测及净化系统引起的质量与性能问题，本发明一种基于STM32的微波通信甲醛实时检测及三氧分子超快净化系统的装置，不仅可以解决传统开窗通风和分立仪器带来的质量问题，而且也可以解决不能远距离检测的性能问题。

本项目解决其技术问题所采用的技术方案是：该装置包括净化装置、接收机、数据上位机、显示模块、通信模块、信号处理模块、稳压模块、12V电源。所述检测净化装置内装配电化学甲醛传感器和臭氧发生器，且电化学甲醛传感器位于电化学甲醛传感器顶部，臭氧发生器位于检测净化装置底部且平行于电化学甲醛传感器；所述通信模块采用两个无线串口模组将检测净化装置和接收机无线连接起来，且无线串口模组都与相应的处理器通过串口相连；所述信号处理模块分别与接收机和数据上位机相连；所述12V电源通过降压稳压模块稳压后与检测净化装置以及接收机相连，且位于装置底部。利用电化学原理能够对空气中的甲醛进行快速的检测，检测出的浓度值可以通过数字输出以及模拟电压输出从而更好的与处理器进行信息的交互，使得显示模块上实时显示室内甲醛浓度，当浓度超出安全阈值（0.1mg/m）时，驱动臭氧发生机释放臭氧。本项目有益效果是，可以实时超远距离传输甲醛浓度数据，将数据传送至接收机，接收机显示数据最后通过短信方式发给数据上位机，并可以保证全部设备的性能稳定，质量可靠。

本设计在传统的气体检测装置基础上创新，使用电化学原理检测室内甲醛浓度；实现了超快探测的技术本设计在传统的气体清除装置基础上创新，使用臭氧发生器智能产生三氧化气体，对甲醛进行化学反应，将甲醛分子中的碳氧共价键破坏掉，并转化成对人体无害的水和二氧化碳；在传统的信息传输装置基础上创新，增加了GPRS模块和无线串口模块，实现了探测清除的同时向用户发送报告信息的功能，保障室内空气质量能够允许人们自由进入。