基于LabVIEW平台的多功能甲醛检测仪

方案。采用攀藤公司的多功能电化学甲醛浓度传感器模组，结合蓝牙传输技术和美国NI公司的LabVIEW平台开发构建了多功能甲醛检测系统。该系统检测准确， 动态曲线显示，功能全面，为空气质量测量方法开辟了更加便捷的途经。

关键词：甲醛检测;PM2.5;LabVIEW;传感器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.114

1 引言

现代生活中，人们对室内空气质量环境越来越重视，污染的空气的确会危害人体健康，最新报道污染空气还影响到人们的智商。对于室内污染物如甲醛、PM2.5和TOVC等空气质量参数的检测，已成为一个重要的课题，目前市场上对甲醛浓度的检测，大致分为专业机构的实验室化学测量和家用级便携式电子仪器测量。传统的实验室分析方法为非现场实时检测，具有结果准确可靠、分辨率高、抗干扰能力强的优点，但是成本很高，装置复杂，流程耗时较长，通常作为争议仲裁和高端消费。而现场便携式电子检测仪器则具有快速实现半定量、过程简洁、便于携带和测点灵活的特点，质量好的电子检测仪器在测试精度上基本可以满足普通家用检测的要求，因之室内环境下便携式电子检测仪器已经形成良好的发展态势，研制能够同时检测各种气体的高质量智能化多功能的气体传感器和先进便携式检测仪是室内空气质量检测的重要课题。随着人们对甲醛等污染物对健康危害的认识深化，我国在1995年制定了针对甲醛的国家标准GB/T 16127-1995《居室空气中甲醛的卫生标准》，该标准中明确规定居室内空气中甲醛卫生标准 （浓度上限）规定为 0.08 mg/m3。这为空气质量治理指引了方向，对甲醛污染的控制与治理提供了定量依据。

目前，市场上进口的欧美便携式甲醛测试仪等仪器属于高端制作，准确度较高，分辨率高，质量可靠。高端仪器的精确度，测试范围都已接近或达到国内有关标准的技术要求，但是其仪器价格昂贵达数万，维护费用很高，公众使用机会有限。而一些低价普通国产便携式检测仪器则在准确度、分辨率和稳定性方面与进口仪器相比还有较大差距，但是其价格适中、检测成本低廉，半定量准确度还不错，现场效率高，故质量较好的国产家用甲醛检测仪目前使用的需求还很大。据报道国内外都将部分高质量便携式甲醛电子检测仪器也列为推荐方法，《规范》也规定了民用建筑工程室内空气中甲醛检测可采用现场仪器检测的方法，并要求检测仪器应定期进行校准。据报道在技术研究的基础上对便携式甲醛检测仪器与传统专业标准方法进行过大量有益的比对试验，现场测量结果表明在 0.01mg/m3 ～ 0.60mg/m3 测定范围内的不确定度小于 20%是可以做到的，因此高质量的便携式家用甲醛检测仪是有很好的发展前景的。我们的方案是研发设计一种准确度更高、性能更稳定、操作方便的多功能甲醛检测仪，并以满足《居室空气中甲醛的卫生标准》指标为目标。

2 检测系统设计与主要技术问题

本检测系统是基于美国NI公司的LabVIEW虚拟仪器开发平台。LabVIEW平台提供了图形化的设计方法，编程采用流程图，流程图也是虚拟仪器的源代码。这种​可​视​化编程​可​帮助​用户​方便地集成​来自​任何​供应​商​的​测量​硬件，​在​程序​框​图​上​可以表现​复杂​的​运算和逻辑，可使用各种图标、连线、图形符号来编程。平台具有强大的​数据采集、数据处理和分析、复杂分析​算法等功能，具有编程灵活、界面丰富友好、可自定义等优点。具备各种GPIB、VXI仪器、总线接口及串口仪器驱动程序的联动机制，并具有远程通讯与网络功能。在系统测量、自动化、通信、控制方面有着广阔的应用前景。本项目采用PC机作为终端，选用LabVIEW开发检测系统实现甲醛浓度的自动检测与显示。

甲醛检测系统的设计组成由甲醛传感器与PM2.5 与PM10检测模块、蓝牙串口传输模块、数据采集和处理、LabVIEW 2014软件系统、上位机程序以及用户接口设计等组成。其中甲醛传感器检测模块、PM2.5 检测模块和蓝牙串口传输模块，构成下位机部分。利用计算机的RS-232串行口，可实现上下双机的通信，选择使用蓝牙串口传输模块进行无线数据通信，所用笔记本电脑没有串口就利用虚拟串口助手设置，一般采用的是简单的四线制连接方式。TXD 为发送数据端，RXD 为接收数据端，GND 为接地端，VCC为电源端。

检测系统软件采用LabVIEW强大的的图形语言开发，由八个功能模块设计组合。系统软件主要包括：数据读出＼写入模块，数据接收与处理，特征字符串匹配模块，抗干扰模块，数据处理与计算，平均值计算模块，动态波形显示模块等。设计的源程序文件可以打包并直接在Windows平台下运行。图1是多功能空气质量检测仪界面图。有三个主要参数显示窗口。甲醛和PM2.5实时数据曲线在图表上动态显示，PM10浓度量使用显示柱。波形显示模式为模拟波形记录仪方式，“动态数据曲线” 显示采用Chart控件。图表的正上方是三个主要数据输出文本框，分别显示当前采集的甲醛、PM2.5 和PM10的浓度数值。图表控件中显示着历史数据连续不断地往左边移动，最新采集的数据在右边逐渐显示，如参数测试结束，点击“退出”控件退出程序。

下面谈谈多功能甲醛检测仪系统总体方案实现的几个主要问题。

（1）传感器的选用：根据检测对象的特点，需要选择一个测量灵敏度高、测量准确度高，检测范围满足规定的传感器，来做甲醛检测仪的首要部件传感器。经过市场调研和比较，选择了攀藤公司的空气质量多功能型传感器模块（采用英国DART公司膜片），英国DART公司的电化学甲醛浓度传感器，国际知名，综合测试范围和精度能满足 GB/T 161271995《室内空气中甲醛卫生标准》中规定的指标要求。我们采用的攀藤PMS5003S 系列是一款可以同时监测空气中颗粒物浓度和甲醛浓度的二合一传感器。甲醛传感器负责将甲醛气体的浓度转化成为电信号，信号调理电路由前置放大器和滤波电路构成，负责将传感器产生的微弱电信号转化成为匹配的电压信号，再经过微处理器转化成标准化数字输出，便于集成使用。PMS5003S运用激光散射原理来检測污染颗粒物浓度，它不断采集和计算单位体积内空气中相应的悬浮颗粒物个数，并换算成为颗粒物浓度。PMS5003S中自带有风机，需要 5V 电源供电驱动。与之连接通讯的主板MCU应为3.3V供电，数据通讯和控制管脚均采用3.3V作为高电平。在通讯线（RXD、TXD）和控制线（SET、RESET）上加入电平转换芯片或电路之后，也可以采用主板 MCU 的 5V 供电。使用蓝牙串口传输模块连通传感器模块与上位机进行数据通信，采用被动接收形式，无需问答，即下位机会一直发送数据上来。

（2）上位机程序的开发：主要是 LabVIEW串口数据通信编程。 LabVIEW通过VISA与串行接口仪器通信。VISA为用户提供了一套的可方便调用的标准I/O底层函数，是仪器编程的标准I/O应用程序接口（API）。在LabVIEW功能模板的Instrument I/O→Serial中包含进行串行通信的多个功能图标，分别可实现串口读、串口写、串口设置、中断、串口缓存检测、关闭串口等功能。VISA功能模块使用了VISA resource name控制参数，该参数标识了进行I/O操作应有的配置信息和对应通信的设备名称。编程时用到串口初始化函数（VISA Configure Serial Port）和串口读函数（VISA Read），完成串口的初始化和读出。选择串行资源并配置参数（波特率、数据位、奇偶、停止位），根据所用电脑的串口选择串口号，本机选择COM4，波特率默认9600，其他默认。

（3）数据接收与处理：串口通信中，一般数据帧的通信协议格式由几部分信息组成：帧头、数据长度、数据块和帧尾等。数据长度和数据块是主要的数据部分。项目所用传感器的通信传输协议是32字节。其中以0x42、0x4D二个字节作为数据帧头，之后两个字节为帧长度数据，接着是数据块，根据厂家定义，数据格式第13-14字节是PM2.5浓度;第15-16字节是PM10浓度;第29-30个字节是甲醛浓度，其他数据位是不常用的空气质量指标，31-32个字节是校验码。图2是特征字符串匹配搜寻、数据位提取与计算处理显示部分源程序图。

实际运行中，开机后可能最先接收到的信息不一定是帧头，因为现场检测过程中可能有干扰有失序，或下位机一直处于发送数据的状态，接收的过程中串口也有可能在缓冲区被清空等等，因此这一帧数据的前面部分数据可能会丢失，这种失序会造成后面提取特定数据字节时发生错误。因此首先要查找对帧头，采用的办法就是搜索特征字，我们使用“匹配字符串函数”的匹配字功能，如果找到帧头则会将帧数据分为前后两部分，匹配字后部分就是所需要的数据块。这是一个程序的搜索算法。具体实现的程序可调用“匹配模式字符串函数”，见图2左上。以本项目传感器模组为例，如图1中实时显示为例，其中以42、4D二个字节作为数据帧头，第三、四个字节为帧长度计数器，假如串口接收的一个数据包为424D  001C  0043  0065  006C  002C  0042   004D  0000  0000  0000  0000  0000  0000  0019  0293共32字节十六进制数，。其中，数据帧头424D，刚好是字符BM的十六进制表示，也是搜索特征字;接下来是从0043到0019字节是核心数据字节，信息流经过匹配模式字符串函数图标之后，原输入字符串一分为二，匹配字后面的字符串是我们需要的核心数据，按位置转换为字符显示的字符串后可得到实际的各种空气质量参数值。该传感器很多数据位是不常用的空气质量指标，故没有提取显示。把串口接收的数据包先进行字节分别提取，再调用转换为字符显示的字符串的图标，输出值就是实际的特定空气浓度值。

（4）数据转换与计算：由于LabVIEW中运行接收到的数据都是以字符串的形式存在的，编程中使用“转换为U8数组”这个函数，就可以需要将字符串转换为ASCII码，转换为U8字节后，就可以进行数据帧的采集处理。根据传感器基础设计，本仪器将收到以下的字符串数据，正常情况，头字节42，次字节4D，刚好是字符B、M的十六进制表示;图2中下半部分显示的数组是使用“字符串转换为U8数组”的函数转换之后得到的数组，可以是十六进制或十进制显示。对照厂家定义的数据帧格式顺序，就得到各种空气参数的数据了。帧头查找到以后，所用传感器的传输数据格式第13-14字节是PM2.5浓度;第15-16字节是PM10浓度;第29-30字节是甲醛浓度。注意串口程序的字节序是高位在前，低位在后。浓度计算时，高位数加上低位数时要乘上256，这二个字节的数据相加就是我们要的实际数据，在实际使用过程中应该根据帧格式的字义来解析这个数据，直接使用索引号进行索引输出可以方便得到。由“创建波形”节点创建波形数据，之后，波形数据流入Chart图表中动态显示。 从图2可以看到，有甲醛，PM2.5，PM10三个数据流要经过并行数据处理。调试程序时可以使用探针监视窗口，LabVIEW 在探针窗口中会自动列出探针并为这些探针编号，窗口显示的值就是探针符号所在连线的探测点的字符串或者实时值。

（5）抗干扰模块：传感器模块传送数据串过程中，由于检测系统的波动性或现场扰动，数据偶尔会出现凌乱，采集数据偶尔会出现很高的数值尖峰，这个模块要采用比较程序把尖峰过滤掉，代之以平均值。使之平稳输出。

（6）平均值模块：有时测试时间可能较长，如果环境正常波动不大的情况，为了测试数据更准确，这时就需要取一个平均值，甲醛浓度也显示为平均值。最小值和最大值也要检出。系统在出现尖峰干扰或其他扰动时，可以拉回到平均值。系统支持大量历史数据回放，这些都是电子仪器测量的优势。

利用LabVIEW的平台环境开发串口通信程序，流程图清晰规整。我们开发的检测系统程序，人机界面设计友好，观测方便，波形曲线显示准确流畅。经过现场实测分析，检测分析结果在日常所见测定范围内的不确定度小于 20%是可以做到的。 空气质量数据采集可靠、运行效率高，能够提供可靠的甲醛污染状况等级判定。和传统专业实验室化学方法比较，方便快捷，测点灵活，成本低廉，误差可控，可以将数值转换为等级，具备真正的使用价值。

由于LabVIEW检测系统的升级改动很方便，我们同时也设计了另一种基于LabVIEW平台的便携式甲醛检测仪，采用的WZ-S 型甲醛检测模组是全球甲醛检测专家——英国DART公司的最新力作，升级版原装达特甲醛传感器结合先进的微检测技术，直接将环境中的甲醛含量转换成浓度值，它和本文所示检测系统相结合，综合比照，中西合璧，使得检测数据更准确更有实用价值。

3 结束语

本文介绍了一种基于LabVIEW平台设计的多功能甲醛检测仪，该系统能够对甲醛和PM2.5等参数实时地监测。能够克服传统监测方法过程复杂、成本高、请不起、耗时长等不足。从检测系统进行的测试分析以及现场对比测試来看，采集数据较为准确，系统运行稳定，显示清晰动态曲线，这种检测仪器可以方便地在现场完成半定量检测甲醛浓度等，操作方便，具有较高的实用价值。

参考文献：

[1]兰羽，卢庆林.基于AT89C52的便携式甲醛检测仪设计[J].机械与电子，2014（01）.

[2]方亮，郝明.基于LabVIEW的甲醛检测系统设计[J].科技创新导报，2010（20）.

[3]佚名.LabVIEW串口通信解析[DB/OL].互联网文档资源，2017.