基于STM32的大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀

李清宇 趙 龍 何萬(wàn)民 王學(xué)義 杜海英

（1.大連民族大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，遼寧 大連 116605；2.大連民族大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育學(xué)院，遼寧 大連 116605）

世界經(jīng)濟(jì)全球化加快了工農(nóng)業(yè)發(fā)展進(jìn)程，由此帶來(lái)的大氣環(huán)境污染已經(jīng)成為危害人類公共健康和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的主要風(fēng)險(xiǎn)[1-3]。大氣中常見(jiàn)的6種環(huán)境污染物，包括臭氧（O3）、氮氧化物（NOx）、二氧化硫（SO2）、一氧化碳（CO）和顆粒物（PM）會(huì)增加人體患心血管疾病和呼吸系統(tǒng)疾病的可能性[4]，給人類身體健康帶來(lái)了巨大威脅。因此，大氣環(huán)境質(zhì)量受到越來(lái)越多的關(guān)注，大氣環(huán)境質(zhì)量的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)需求也在不斷提升[5]。

該文融合單片機(jī)技術(shù)、傳感器檢測(cè)技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一款基于STM32的大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀，采用4個(gè)電化學(xué)氣體傳感器和一個(gè)激光粉塵傳感器，進(jìn)行6種主要大氣環(huán)境污染物濃度的周期性循環(huán)在線監(jiān)測(cè)，基于無(wú)線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)與Android設(shè)備的實(shí)時(shí)通信，提供濃度預(yù)警、濃度顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和云端數(shù)據(jù)共享等功能，為大氣環(huán)境質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供了有效解決方案，也為大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)和大氣污染評(píng)估開(kāi)辟了新途徑。

1 硬件設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)儀由氣體檢測(cè)模塊、固體顆粒檢測(cè)模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、液晶顯示模塊、外部電源模塊、無(wú)線傳輸模塊和聲光報(bào)警模塊7個(gè)部分組成。大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)儀硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)儀硬件系統(tǒng)框圖

1.1 氣體檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

氣體檢測(cè)模塊由4個(gè)電化學(xué)傳感器及其外圍電路組成，傳感器型號(hào)分別為ME3-O3、ME3-NO2、ME3-SO2和ME3-CO，分別檢測(cè)空氣中O3、NO2、SO2和CO這4種環(huán)境污染氣體濃度。電化學(xué)傳感器的外圍電路包括控制電路、電平保持電路和測(cè)量電路?？刂齐娐穼⑦\(yùn)算放大器的反向輸入端連接到參比電極（RE），輸出端連接到對(duì)電極（CE），通過(guò)運(yùn)算放大器向?qū)﹄姌O（CE）提供電流，以平衡工作電極（WE）所需電流。測(cè)量電路通過(guò)單極運(yùn)算放大器將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，利用運(yùn)算放大器輸入阻抗大，輸出阻抗小的特性，產(chǎn)生相對(duì)虛擬地端的參考電壓。電壓可以反應(yīng)氣體的濃度值。電平保持電路在斷電時(shí)能夠?qū)⒈入姌O（RE）和工作電極（WE）短接，減少通電時(shí)傳感器的負(fù)反饋調(diào)節(jié)時(shí)間。

1.2 AD轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

AD轉(zhuǎn)換模塊選用型號(hào)為PCF8591的AD轉(zhuǎn)換芯片，AD轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。SCL與SDA分別為串行時(shí)鐘線和串行數(shù)據(jù)線，連接至單片機(jī)的PB10、PB11引腳并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)需要連接10k的上拉電阻，保證總線空閑時(shí)接入高電平。VREF引腳接入3.3V，此時(shí)輸出數(shù)據(jù)最大值對(duì)應(yīng)3.3V，設(shè)轉(zhuǎn)換結(jié)果為a，則電壓的計(jì)算如公式（1）所示。

式中：U為轉(zhuǎn)換后的電壓值；a為傳感器輸入數(shù)據(jù)。

1.3 外部電源模塊設(shè)計(jì)

大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀硬件電路中主控模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊和無(wú)線傳輸模塊需要DC 3.3V供電，其余模塊則需要DC 5V供電。將外部接入的DC 5V通過(guò)AMS1117穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)換為DC 3.3V，分別為不同的模塊供電。

2 軟件設(shè)計(jì)

大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀通過(guò)4個(gè)電化學(xué)傳感器和一個(gè)激光粉塵傳感器采集6種環(huán)境污染物的濃度。氣體檢測(cè)模塊將氣體濃度對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)輸入單片機(jī)，單片機(jī)將輸入信號(hào)進(jìn)行濾波處理。濾波后的數(shù)據(jù)通過(guò)氣體濃度轉(zhuǎn)換算法轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)濃度值，最后根據(jù)不同氣體的濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉干擾補(bǔ)償[6]。顆粒物檢測(cè)模塊通過(guò)串口與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，每隔1s上傳一次數(shù)據(jù)。處理后的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在顯示屏上，同時(shí)通過(guò)無(wú)線傳輸模塊同步傳輸至手機(jī)App。當(dāng)檢測(cè)濃度超出閾值時(shí)，觸發(fā)聲光報(bào)警，進(jìn)行濃度預(yù)警和提示。

2.1 氣體濃度轉(zhuǎn)換算法

電化學(xué)傳感器的響應(yīng)電壓與氣體濃度具有良好的線性關(guān)系，通過(guò)兩點(diǎn)法確定響應(yīng)電壓與濃度的線性關(guān)系方程[7]。以CO傳感器為例，在環(huán)境溫度25℃、相對(duì)濕度40%RH的條件下，測(cè)得潔凈空氣中CO傳感器響應(yīng)電壓值為U0，對(duì)應(yīng)氣體濃度值為N0，通入濃度值為N1的CO標(biāo)準(zhǔn)氣體，測(cè)得響應(yīng)電壓值為U0。根據(jù)A（U0，N0）、B（U0，N1）2點(diǎn)確定CO傳感器響應(yīng)電壓與CO濃度的線性關(guān)系。CO氣體濃度值與傳感器響應(yīng)電壓線性關(guān)系圖如圖3所示，則當(dāng)前環(huán)境下被測(cè)目標(biāo)氣體濃度值Nx的計(jì)算如公式（2）所示。

圖3 CO氣體濃度值與傳感器響應(yīng)電壓線性關(guān)系圖

式中：Nx、Ux為待測(cè)氣體濃度值和響應(yīng)電壓值；N0、U0為空氣中CO濃度值和響應(yīng)電壓值；N1、U0為通氣后CO濃度值和響應(yīng)電壓值。

2.2 數(shù)字濾波算法

電化學(xué)傳感器的輸出信號(hào)受較多因素干擾，不可避免地會(huì)混雜一些噪聲。采用防脈沖干擾平均濾波算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理，先對(duì)N個(gè)數(shù)據(jù)并進(jìn)行比較，去掉其中的最大值和最小值，然后計(jì)算余下N-2個(gè)數(shù)據(jù)的算數(shù)平均值。防脈沖干擾平均濾波算法能夠有效克服偶然出現(xiàn)的脈沖干擾，對(duì)變化緩慢的氣體信號(hào)采樣過(guò)程中的脈沖干擾信號(hào)具有良好的濾波效果[8]，如公式（3）所示。

式中：Y為濾波后的輸出值；X（K）為測(cè)量值，K=1，2，…，N；N為數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，為了加快計(jì)算速度，N值取12。

2.3 交叉干擾閾值修正數(shù)學(xué)模型

為了克服氣體間的交叉干擾現(xiàn)象，最大程度降低干擾氣體對(duì)目標(biāo)氣體測(cè)量的影響，該文采用了一種交叉干擾閾值修正數(shù)學(xué)模型，以降低交叉干擾產(chǎn)生的數(shù)據(jù)誤差[9]。通過(guò)計(jì)算氣體間的干擾閾值，對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，計(jì)算出真實(shí)的氣體濃度。氣體傳感器交叉干擾特性表見(jiàn)表1。根據(jù)表1中的交叉干擾閾值計(jì)算出氣體間的干擾系數(shù)k。濃度測(cè)量值和濃度真實(shí)值如公式（4）、公式（5）所示。

表1 氣體傳感器交叉干擾特性表

通過(guò)交叉干擾關(guān)系可以得出公式（6）。

式中：系數(shù)kxy為x氣體對(duì)y傳感器的干擾系數(shù)；X為濃度測(cè)量值，用對(duì)應(yīng)氣體首字母小寫表示；Y為濃度真實(shí)值，用對(duì)應(yīng)氣體首字母大寫表示。

即Y=kX，其中Y和k均可測(cè)得，求解方程即可得出實(shí)際濃度值X。

2.4 Android程序設(shè)計(jì)

手機(jī)App數(shù)據(jù)接收端是基于Android studio編程環(huán)境設(shè)計(jì)的，語(yǔ)言開(kāi)發(fā)為Java，通過(guò)藍(lán)牙與檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，同步顯示6種大氣污染物的濃度數(shù)據(jù)，相關(guān)數(shù)據(jù)同步傳輸至云平臺(tái)并儲(chǔ)存。

3 系統(tǒng)安裝與測(cè)試

對(duì)大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行安裝和調(diào)試，預(yù)熱后校正零點(diǎn)，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。在環(huán)境溫度25℃、相對(duì)濕度40%RH的條件下，使用4種標(biāo)準(zhǔn)氣體O3、NO2、SO2和CO配制混合氣氛，模擬變化的真實(shí)大氣環(huán)境，對(duì)儀器的抗交叉干擾性能進(jìn)行4次動(dòng)態(tài)測(cè)試。6種污染物的測(cè)量最大相對(duì)誤差分別為3.3%、4%、2%、2%、0.6%和1%，精度均保持在5%以下，說(shuō)明該儀器對(duì)混合氣體具有良好的氣體檢測(cè)精度和辨識(shí)能力。

圖4 大氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀測(cè)試圖

為了測(cè)試監(jiān)測(cè)儀的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，分別對(duì)O3、NO2、SO2和CO這4種污染氣體的同一濃度進(jìn)行8次重復(fù)性測(cè)試，大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀重復(fù)性測(cè)試曲線如圖4（a）所示，測(cè)試相對(duì)誤差均小于1%。測(cè)試結(jié)果表明，大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀具有良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性。在開(kāi)放的室外環(huán)境下，對(duì)6種主要污染物的濃度進(jìn)行24h循環(huán)監(jiān)測(cè)，并對(duì)全天6個(gè)時(shí)間點(diǎn)位的污染物濃度進(jìn)行采樣分析。24h室外環(huán)境污染物濃度分析如圖4（b）所示?？梢钥闯?，大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀能夠?qū)Υ髿猸h(huán)境質(zhì)量進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)論

該文針對(duì)大氣環(huán)境污染物開(kāi)發(fā)的基于STM32的大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、集成度高、對(duì)目標(biāo)氣體響應(yīng)迅速且穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)混合氣體的具有良好的抗干擾能力，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)共享和手機(jī)終端的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，檢測(cè)精度不超過(guò)5%。大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀的開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了環(huán)境污染檢測(cè)裝置的小型化、集成化和網(wǎng)絡(luò)化，為當(dāng)?shù)丨h(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)提供了詳實(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供保障，具有廣泛的應(yīng)用前景。