基于Wi-Fi无线通信的甲醛气体检测系统

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3.0 牛悦 2024-11-11 4 4 8.59MB 53 页 15积分

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第一章绪论

基于 wi 无线通信的甲醛气体

检测系统

摘要

室内甲醛污染对人体健康有重要影响，有必要采用无线测量的方法获取室内

甲醛浓度并对其进行分析。随着 Wi-Fi 无线“热点”的增加，Wi-Fi 已经成为现代

生活中广为应用的短距离无线通信技术。因此，设计一款基于 Wi-Fi 无线通信的甲

醛气体检测系统具有较好的工程应用前景。

论文的主要工作如下：

(1) 对目前常用的几种甲醛气体检测方法进行了介绍。从经济实用的角度出发

本文选择 MQ138 甲醛传感器。它具有快速的响应恢复及较高的灵敏度，

易与单片机集成。

(2) 对Wi-Fi 无线传输技术进行了研究，选用嵌入式 Uart-WIFI 模块产品。它

基于 Uart 接口，内置无线网络协议 IEEE802.11 协议栈以及 TCP/IP 协议

栈，能够实现用户串口数据到无线网络之间的转换。

(3) 以飞思卡尔低功耗 MC9S128XS128 单片机为 MCU，搭建了相应的检测

电路，实现了多点甲醛浓度 ppm 值的检测和无线传输。利用 Java 语言编

写了 PC 端程序，实现了甲醛浓度数据的存储和分析。

(4) 最后，对整个测量系统进行了现场调试，给出了环境温湿度变化对室内

甲醛浓度影响的初步结果。

关键词：甲醛检测 MC9S12XS128 单片机 Wi-Fi 无线通信 Java 编程

ABSTRACT

Indoor formaldehyde pollution has important influence on human health,it is

necessary to adopt the wireless measuring method for obtaining the formaldehyde

concentration of indoor air and carries on the analysis. Along with Wi-Fi wireless "hot

spots" increaseing, Wi-Fi has been widely used in modem life as short distance wireless

communication technology. Therefore, the design of a formaldehyde gas detection

system based on Wi-Fi communication has good prospect in engineering application.

基于 Wi-Fi 无线通信的甲醛气体检测系统
The main jobs of this paper are as follows:
1. Has introduced several commonly used formaldehyde concentration detection
methods at present. From a practical and economical point of view, this article chooses
MQ138 formaldehyde sensor. It has fast response recovery, high sensitivity and easy to
integrated with microcomputer.    
2.   On   the   Wi-Fi   wireless   transmission   technology   research,   finally   choose
HSWIFIM03 embedded Uart-Wi-Fi module. It is based on Uart interface, the built-in
IEEE802.11 wireless network protocol and TCP/IP stack to achieve the user conversion
demands between serial data and wireless network.
3.  Choose Freescale company's low power consumption MC9S128XS128 chip as
MCU,   built   corresponding   detection   circuit   to   realize   multi-point   formaldehyde
concentration ppm value detection and wireless transmission. Using Java language to
write the PC terminal program, to realize formaldehyde concentration data storage and
analysis.
4. Finally, the whole measurement system through the scene debugging and gives
preliminary result of formaldehyde concentration cause by the change of environmental
temperature and humidity. 
Key   word:  Formaldehyde   detection,   MC9S12XS128   single   chip
microcomputer, Wi-Fi wireless communication, Java programming
目 录
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论......................................................................................................................1
1.1 课题研究的背景与意义......................................................................................1
1.2 甲醛气体检测方法与传感器分类......................................................................1
1.2.1 比色法........................................................................................................2
1.2.2 色谱法........................................................................................................2
1.2.3 光谱法........................................................................................................3
1.2.4 传感器法....................................................................................................3
1.3 短距离无线通信与 Wi-Fi 技术概述...................................................................4
1.3.1 Wi-Fi 技术概述..........................................................................................4
1.3.2 Wi-Fi 技术的特点......................................................................................5
1.3.3 Wi-Fi、WiMax、3G 之间差别与联系.....................................................6
1.3.4 Wi-Fi 技术的发展趋势..............................................................................7
1.4 本论文的主要工作..............................................................................................7
第二章 系统硬件设计......................................................................................................9
2.1 甲醛探测器的硬件设计......................................................................................9
2

第一章 绪论
1.1 甲醛气体传感器选型................................................................................9
1.2 温湿度传感器模块..................................................................................15
2 控制器及外围电路设计....................................................................................18
2.1 主控芯片的选型......................................................................................18
2.2 串行通信接口 SCI...................................................................................19
2.3 ATD 模块..................................................................................................21
2.4 单片机与外围器件的连线图..................................................................24
3 LCD 液晶显示模块...........................................................................................25
3.1 主要控制器 ST7920A..............................................................................25
3.2 通信模式..................................................................................................25
4 Wi-Fi 无线传输模块..........................................................................................26
4.1 IEEE 802.11 系列协议标准简介.............................................................26
4.2 Wi-Fi 无线连接模式................................................................................28
4.3 Uart-Wi-Fi 无线通信模块........................................................................29
4.4 HSWIFIM03 串口命令模式....................................................................29
4.5 HSWIFIM03 无线模块配置步骤............................................................31
第三章 系统的软件设计................................................................................................32
1 下位机软件设计................................................................................................32
1.1 CodeWarrior 编译环境简介.....................................................................32
1.2 数据采集模块软件设计..........................................................................33
1.2 LCD 显示模块软件设计.........................................................................36
1.3 Wi-Fi 无线传输软件设计........................................................................39
2 上位机软件设计................................................................................................40
2.4 Eclipse 开发环境简介..............................................................................41
2.1 Java 数据文件创建..................................................................................41
2.2 Java 多线程编程......................................................................................42
2.3 Socket 网络连接.......................................................................................43
第四章 实验结果与分析................................................................................................45
1 无线收发功能的测试........................................................................................46
1.1 Wi-Fi 无线传输距离测试........................................................................46
1.2 多节点传输 Wi-Fi 网络可靠性测试.......................................................46
2 甲醛浓度测量与分析........................................................................................48
2.1 甲醛传感器测试总述..............................................................................48
2.2 气体浓度与时间的检测..........................................................................50
2.3 相同浓度不同温、湿度的检测..............................................................51
第五章 总结与展望........................................................................................................53
1 总结....................................................................................................................53
2 展望....................................................................................................................54
参考文献.........................................................................................................................55
3

基于 Wi-Fi 无线通信的甲醛气体检测系统

第一章绪论

1.1 课题研究的背景与意义

随着室内装修行业的发展和人们对生活的更高要求，现在室内装修行业已经

相当成熟。在进行室内建筑装修时需要用到各种含有化学成分的原料作为建筑装

饰材料进入各个家庭，这样就使得室内空气的污染程度要比室外环境高出 5~10

倍。据不完全统计室内装修中所含的污染物已达500 多种，室内的空气污染是当

今多种疾病的罪魁祸首，而甲醛污染则是室内污染的一个首要问题[1]。甲醛早就被

世界卫生组织列入为致畸和致癌物质，是全球公认的强致突变物和变态反应源[2]。

因此，实时检测并记录当前环境下甲醛的浓度以便及时采取相关措施来降低空气

污染显得至关重要。

随着通信技术的发展和网络的普及，通过家庭网络来实现用户对短距离无线

通信的需求与日俱增，而Wi-Fi 凭其独特的优势在家庭网络中占据了毋庸置疑的

地位得到了广泛的应用。Wi-Fi（Wireless Fidelity）又称无线保真技术，是一种可

以将个人电脑、各种手持设备（如手机、Pad）等终端通过无线连接的方式实现网

络通信的技术[3,4]。主要遵循 IEEE 802.11 的相关协议，不同的协议规范支持的传输

范围和传输频段有所不同，目前应用比较广泛的是IEEE802.11g 协议规范[5]。Wi-Fi

作为一种短距离的无线传输技术，可以为用户提供覆盖范围为数百英尺的无线宽

带互联网访问。这样使得它在家用、办公环境以及旅途等场所多以其快速、便捷的

优势得到应用。Wi-Fi 无线网络通常是由无线接入点（AP，Access Point）以及无

线网卡组成的，能够将现有的现有的有线以太网络和用户终端组在一个网络内并

且组网的成本较低[6,7,8]。当前Wi-Fi 凭借其自身的许多优点，正日渐受到人们更多

的推崇。

1.2 甲醛气体检测方法与传感器分类

甲醛气体的检测的方法可谓多种多样，并且新的检测方法不断的在推出。目

前世界各国比较认可并常用的检测方法有：比色法、色谱法、光谱法、传感器法以

及比较先进的电子鼻等检测方法[9,10]。下面着重介绍下几种比较常用的甲醛检测技

术。

第一章绪论

1.2.1 比色法

比色法是一种比较经典的可进行定量分析的化学检测方法。比色法的检测原

理：甲醛遇到可变色化学溶液会发生化学反应并变色，可通过检测化学溶液变色

的程度来定量的确定甲醛浓度。比色法虽然不能对甲醛浓度进行精准的测量但由

于其具有使用的设备简单、价格低廉等特点也在检测甲醛含量时得到广泛推广。比

色法常用的测量方法主要有：酚试剂比色法、副品红比色法以及 AHMT 比色法等

[11,12]。下面简述下前两种测试方法。

(1)酚试剂比色法

酚试剂比色法来检测甲醛气体浓度的原理：甲醛气体遇到酚试剂会发生化学

反应并使酚试剂变色，根据变色的颜色对比来确定当前甲醛的含量。此检测方法

当检测环境的温度低于 15°C 时显色会不完全，影响检测结果；在检测温度为 20-

35°C 时显色显著，检测结果稳定。

(2)副品红比色法

副品红法检测甲醛的原理为：甲醛遇到通过副品红制成的希夫试剂发生化学

变化并会生成紫红色的化合物。此方法操作起来简单，但是褪色较快并且会受温

度影响，并且要生成稳定的紫红色化合物需要至少 60 分钟[11]，因此灵敏度不是很

高应用不是很广泛。

比色法检测甲醛浓度的技术虽然早就已经成熟并被许多的国家定为标准测量

方法，但是这类方法通常需要一段时间进行采样分析，无法实时显示结果，并且

操作流程相对复杂，较容易受外接温湿度环境的干扰，因此很多情况都无法满足

要求。

1.2.2 色谱法

色谱法的检测原理：利用的是不同物质以不同的状态在达到平衡状态时，会

因平衡的不同效果产生不同的色谱。目前采用色谱法机理进行检测的方法主要有

高效液相色谱法以及直接气相色谱法等。

(1)直接气相色谱法

直接气相色谱法利用的原理：当物质以气状的形式存在时不同浓度的气体流

动会产生不同的色谱。该方法通过直接对气体的色谱分析来定性气体的浓度，检

测极限值可达到0.3ppm，精度不是很高需要借助其他的技术才能提高精度。

(2)高效液相色谱法

采用高效液相色谱法检测甲醛气体浓度的原理为：当甲醛遇到DHCP 时会反

应生成腙，将其产物进行分离处理后利用 HPLC-UV 来定性的分析甲醛的含量。

HPLC-UV 检测方法虽已经被大家公认但分析复杂气体成分时其检验精度还有待

检验。

1.2.3 光谱法

所谓光谱法利用的是当甲醛气体受到外界的激发会发出一定频率的光谱，可

基于 Wi-Fi 无线通信的甲醛气体检测系统

以通过分析该光谱来得出甲醛的气体浓度。目前分析该光谱的方法主要有

FTIR（傅里叶变化光谱法）、DOAS（差分吸收光谱法）以及 TDLAS（激光长程

吸收光谱法）等。随着对光谱测量精度的提高现在的检测精度可达到ppbv-pptv 的

等级。鉴于光谱测量的精度合理，实时性好现在光谱测量已得到广泛应用。

针对光谱检验的这几种方法各有千秋。其中差分吸收光谱法的检测不仅能检

测可见波还能检测到紫外线波段，因此 DOAS 可对包括甲醛、甲苯、O3、NOX以及

SO2等有毒气体检测。激光长程吸收光谱法的检测波段主要是针对红外波段的，该

检测方法是随着 TDLS(可调谐二极管激光器)的不断发展而进一步得到完善。

虽然光谱测量气体浓度的方法测量精度和实时性都较高，但是由于检测仪器

的成本本身比较高昂，很难在日常检测中应用。目前只能应用于精度要求较高的

科研项目中。

1.2.4 传感器法

传感器测量甲醛气体浓度是利用含有甲醛探头的传感器遇到含有甲醛的气体

其对应的电阻等检测量会发生变化，将该检测信号通过后端的放大、处理等一系

列操作后通过对应的公式可得出甲醛气体的浓度。目前传感器测量的方法有很多

种，这里简要介绍下以下一些使用较为普遍的方法：可视化荧光甲醛气体传感器

法、甲醛声表面波传感器、生物甲醛传感器法、甲醛分子筛传感器法、电化学甲醛气

体传感器法、氧化物气体传感器法以及电子鼻甲醛传感器法。

（1）荧光可视化甲醛传感器法

利用可视化荧光传感器来检测甲醛的浓度，由于其较好的线性响应特性可以

不需要其他光谱分析仪，就能够通过视觉判断直接定性浓度值的测量方法。该方

法虽然易于操作，但其测量精度不是很高，多数用于定性测量。

（2）表面声波甲醛气体传感器法

声表面波甲醛传感器法测量甲醛浓度易受环境中温、湿度的影响，因而其初

始化复位性和测量精度都不是很高。可通过选取敏感度相对较高的敏感材质以及

选取吸附能力较好的薄膜作为测量材质来提高测量的灵敏度。

（3）生物甲醛传感器法

生物甲醛传感器检测甲醛气体浓度利用的是：当该传感器于甲醛气体接触时

发生化学反应从而影响该传感器的晶振频率，并且该晶振频率的变化程度同甲醛

浓度成正比例关系。该测量方法检测的甲醛浓度要通过反应时生成的氧化物薄膜

来检测，检测的极限范围是40ppm。

（4）甲醛分子筛传感器法

气体分子筛传感器法测量甲醛浓度的方法其实用性和精确度都不是很让人满

意，因此除非使用吸附能力特别强的吸附剂否则很难提升传感器的灵敏度。

（5）电化学甲醛气体传感器法

电化学传感器检测甲醛浓度的方法应用的主要是检测物和传感器的电化学反

应原理来检测气体浓度的。电化学传感器法的检测灵敏度和测量精度都比较令人

满意，并且其电路设计也比较简单，因此被众多厂商推崇目前已经在市场上普遍

采用。

（6）甲醛气体氧化物传感器法

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摘要：

第一章绪论基于wifi无线通信的甲醛气体检测系统摘要室内甲醛污染对人体健康有重要影响，有必要采用无线测量的方法获取室内甲醛浓度并对其进行分析。随着Wi-Fi无线“热点”的增加，Wi-Fi已经成为现代生活中广为应用的短距离无线通信技术。因此，设计一款基于Wi-Fi无线通信的甲醛气体检测系统具有较好的工程应用前景。论文的主要工作如下：(1)对目前常用的几种甲醛气体检测方法进行了介绍。从经济实用的角度出发本文选择MQ138甲醛传感器。它具有快速的响应恢复及较高的灵敏度，易与单片机集成。(2)对Wi-Fi无线传输技术进行了研究，选用嵌入式Uart-WIFI模块产品。它基于Uart接口，内置无线网络协议...

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