现代电子技术
Modern Electronics Technique
Aug.2022Vol.45No.16
2022年8月15日第45卷第16期
学习麻辣烫0引言
在社会生活中，为了达到高效节能的目的，常将各种建筑物封闭性设计得很好，这同样会增加有害气体的含量。对建筑物内的有害气体（包括甲醛、甲烷、一氧化碳和氨气等）进行检测对于公共安全至关重要[1⁃3]。甲醛是一种无色、有刺激性气味的有机污染物，是我国室内
空气污染物的主要来源之一。新装修的房子甲醛含量较高，甚至会造成可怕的后果，如疾病或死亡[4⁃5]。甲醛是无色的挥发性有机化合物（VOC ），它可以由木材、纺织品、油漆和化妆品制成的家具缓慢释放[6⁃7]。根据许多国家的法规或法律，建筑物中的浓度[8]不应该超过60~80ppb 。自2004年以来，国际癌症研究机构已将甲醛列为对人类致癌的因素之一。因此，人们迫切需要
DOI ：10.16652/j.issn.1004⁃373x.2022.16.009
引用格式：李彬，崔鹏，薛梁.基于FPGA 的甲醛检测系统研制[J].现代电子技术，2022，45（16）：45⁃49.
基于FPGA 的甲醛检测系统研制
李
彬，崔
鹏，薛
梁
（吉林建筑大学电气与计算机学院，吉林长春
130000）
摘
要：为便于对人们日常生活空间进行甲醛检测与观察，文中提出一种以FPGA 为基础的甲醛检测系统。该系统由
2个传感器节点、1个FPGA 节点控制板和LabVIEW 显示界面构成。传感器节点通过传感器检测甲醛浓度并将检测信息传
送到单片机，再通过单片机进行初步数据处理，由无线模块发送到FPGA 节点控制板；然后通过FPGA 强大的数据处理能力对数据进一步处理，并通过甲醛浓度信息控制蜂鸣器是否报警，由显示屏显示甲醛浓度等实时信息；最后将信息发送到计算机。通过LabVIEW 显示甲醛浓度变化趋势并对数据进行存储，可实现对环境中甲醛浓度的准确检测。实验结果表明，文中系统可以长时间、稳定地检测多个区域的甲醛浓度，并具有成本低、可远程监测等优势，能够为检测环境中的甲醛提供更加简单准确的方式。
关键词：甲醛检测；信息传送；数据处理；蜂鸣器报警；甲醛浓度显示；系统测试中图分类号：TN919.5⁃34
文献标识码：A
文章编号：1004⁃373X （2022）16⁃0045⁃05
Development of formaldehyde detection system bad on FPGA
LI Bin ，CUI Peng ，XUE Liang
（School of Electrical and Computer ，Jilin Jianzhu University ，Changchun 130000，China ）
Abstract ：A formaldehyde detection system bad on FPGA is propod to make it easier to detect and obrve formaldehyde in people ′s daily life.The system is compod of two nsor nodes ，an FPGA node control board and LabVIEW display interface.The nsor node is ud to detect the formaldehyde concentration and transmit the monitored information to the single ⁃chip microcomputer （SCM ）by the nsor to conduct the preliminary data processing.And then the preliminarily ⁃procesd data is nt to the FPGA node control board by means of the wireless module to conduct further processing by means of the strong data ⁃handling capacity of FPGA ，which can also control the buzzer alarm by means of the formaldehyde
concentration information.The real⁃time information such as formaldehyde concentration is displayed on the display screen ，and then nt to the computer.The LabVIEW is ud to display the change trend of formaldehyde concentration and store the data ，so as to realize the accurate detection of the formaldehyde concentration in the environment.The experimental results show that the system can stably detect the formaldehyde concentration in multiple areas for a long time ，and has the advantages of low cost
and remote monitoring ，which can provide a simpler and more accurate method for detecting formaldehyde in the environment.Keywords ：formaldehyde detection ；information transfer ；data processing ；buzzer warning ；formaldehyde concentration
display ；system testing
收稿日期：2022⁃01⁃10修回日期：2022⁃02⁃11
基金项目：吉林省科技厅项目（20180201052SF ；20180201063SF ；20190303114SF ）；吉林省教育厅项目（JJKH20180573KJ ；JJKH20170240KJ ）
45
现代电子技术
2022年第45卷
一种能方便地检测室内残留甲醛含量的设备，以使生活
更加方便和安全。
很多人选择甲醛检测机构或购买甲醛测试仪对新居进行检测[9⁃10]。研究人员也开发了一些检测方法，包括色谱、化学和光谱法，但是这些方法均存在昂贵、不便、无法同时检测多个区域等缺点。
为了克服这些缺点，本文开发了一种以FPGA 为基础的甲醛检测系统。该系统可根据需要设置节点，可以同时检测多个区域的甲醛浓度。经实验验证，该甲醛检测系统足够用于多区域长期监测甲醛浓度。
1系统结构
甲醛检测系统可以分为以下几个部分：一是检测发
送端，由PCB 板、无线模块及甲醛传感器等部件组成；二是数据接收处理端，主要由以FPGA 为基础的无线模块、LCD 液晶显示屏以及蜂鸣报警器组成，负责接收不同传感器节点发来的数据，并将接收到的数据进行快速处理，在显示屏实时显示，实时传送到计算机；三是LabVIEW 显示面板，主要由LabVIEW 软件编程实现，可以实时显示采集到的数据波形并将数据保存到计算机硬盘中，还可以将LabVIEW 界面发布到网上，实现远程监控。图1所示即甲醛检测系统的结构图，下面将对检
测系统的各个方面进行详细的介绍。
图1甲醛检测系统的结构
2
系统硬件和软件设计
2.1
传感器节点
传感系统可以用多个传感器节点检测不同区域，在这次测试中用到了两个传感器节点进行试验。图2所示为传感器节点的功能框图，传感器节点板的功能部件都位于图2的假想块中。传感器节点板主要包括MCU 、电源、传感器电路和通信电路。为了使数据传输更加方便，
系统采用无线通信方式。
图2传感器节点功能框图
图3所示为焊接完成后的电路板和PCB 图。由图3可以看到，在电路板上，有一个5V 的直流电源（DC⁃005）端口为电路供电，通过USB 将程序下载到PCB 板。传感器采集到的数据由传感器接口传输到主控芯片。传感器采用英国达特公司的WZ⁃S 型甲醛传感器模块，传感器的响应时间小于40s ，分辨率为0.001ppm ，检测量程为0~2ppm 。
电化学传感器的功耗电流极低，可分辨小于气体浓度的百万分之一的有毒气体[11⁃15]。一般情况下，空气中的甲醛浓度低于100ppb 。因此，用电化学传感器检测
室内环境中的甲醛浓度完全能够满足需求。
图3传感器节点的PCB 设计、制造和手动焊接示意图
2.2
传感器节点控制板
节点控制板的PCB 设计、制造和手动焊接如图4所
示，节点控制板主控芯片为EP4CE10F17C8，通过12V 电源接口给电路供电，通过JTAG 接口将程序下载到主控芯片。传感器节点传过来的数据由无线模块负责接收，然后通过LCD 液晶显示屏显示测量数据，并通过USB 接口将接收到的数据实时传送到计算机，如果测量值超限，蜂鸣器就会蜂鸣示警。
46
第16
期
图4节点控制板的PCB 设计、制造和手动焊接示意图
2.3
LCD 液晶显示屏
如图5所示，LCD 显示屏主要显示甲醛浓度值、当
油性发质
前时间、空气质量以及温湿度相关信息。甲醛浓度通过传感节点实时测量获得，温湿度通过FPGA 扩展串口连
接温湿度传感器实时获得。经营场所证明
图5LCD 液晶显示屏示意图
2.4
LabVIEW 显示界面
LabVIEW 波形显示前面板如图6所示，程序前面板
包括2个显示波形的窗口，有2个串口可供选择，也可以
同时检测2个区域的甲醛浓度。2个不同的传感器节点可以通过无线通信将数据发送到节点控制板，然后实时传送给计算机，并且甲醛浓度波形在LabVIEW 前面板
窗口中显示。
图6基于LabVIEW 的甲醛传感系统界面显示
3数据的预处理
由于实验过程中遇见极端情况，仪器和传感器可能
出现误差，或者传感器在刚上电时数据不稳定，因此在应用数据前应先对数据进行异常值处理。异常值检测算法主要有基于统计学的、基于聚类的、基于分类的以及基于密度的，根据实验验证，本文选用的是基于密度的异常值算法—局部异常因子算法（LOF ）。其基本思想是计算每个样本与周围样本的相对密度，相对密度越
小，越有可能是异常值。异常值处理关键实现步骤如下：
1）根据式（1）计算出每个点的局部可达密度：gta5买车在哪
lrd k (P )=1
(
)
∑O ∈N k (P )
身骑白马歌词reach -dist k (P ,O )
|
视为是什么意思
|N
k
(P )（1）
式中，N k (P )为点P 的第K 距离领域，即点P 的第K 距离内的所有点reach -dist k (P ,O )=max {k -distance (O ),d (P ,O )}为点O 到点P 的可达距离，d （P ，O ）为点P 到点O
的距离。
2）根据局部可达密度计算出式（2）所示每个点的
局部离群因子，这个值越接近于1，说明点P 与其领域点的密度越接近；越小于1代表点P 相对密度越密集；越大于1代表这个点相对越稀疏，越可能是异常值。
LOF k (P )=∑O ∈N k
(P )
lrd k (O )lrd k (P )|
|N k (P )（2）
4实验与分析
为了测试甲醛检测系统中传感器和无线模块的工
作性能，本文进行了大量的实验，实验环境介绍如图7
所示。
图7实验环境介绍
这些实验主要包括无线模块数据传送、甲醛传感器
测量数据以及LabVIEW 界面窗口波形显示。通过实验
李彬，等：基于FPGA 的甲醛检测系统研制47
现代电子技术
2022年第45卷
现象以及实验数据，对实验现象和数据进行了详细分
析。为了测试无线模块的性能，进行以下3组实验。
如图8所示，测试了在隔一堵墙的情况下无线模块的信号强度变化，并且与不隔墙的情况进行了对比。由图可以看出，隔墙传递信号对无线模块信号强度也有一定的削弱，
但在可接受范围之内。
图8隔墙信号强度对比图
网络管理中心
如图9所示，为了检测甲醛检测系统的稳定性，在封闭的实验室进行了实验，实验室温度基本不变，采集了10min 之内的甲醛浓度。从图9中可以看出，甲醛浓度在25ppb 上下浮动，10min 内，甲醛检测系统的上限为27ppb ，下限为20ppb ，波动相对较小。因此可知甲醛检测系统相对稳定，
能够满足平时的测量需求。
图9甲醛检测系统在10min 内的稳定性测试
如图10所示，在一个密闭实验室中进行了甲醛浓度检测。在检测过程中，把2个传感器放在不同区域，2个传感器采集到的甲醛浓度信息通过无线模块发送，在PC 端由节点控制器接收，接收到的数据
传送到计算机，并且在LabVIEW 显示界面实时显示。从LabVIEW 显示界面波形图可以看出，2个区域的甲醛浓度稍微有些区别，并且甲醛浓度相对较高，在一定范围内波动。
如图11所示，在一个教室内进行了3.5h 的甲醛浓度检测。在8：30学生上课之前，教室一直通风，甲醛浓度相对较低；在9：30之后，学生陆续来上课，由于天气原因，教室关闭门窗，甲醛浓度开始慢慢升高，直到
10：30开始通风，甲醛浓度开始下降；然后11：00左右又
关闭门窗，甲醛浓度逐渐升高，直到放学后，教室甲醛浓度开始下降。可以看出，保持通风可以有效降低甲醛浓度，并且甲醛浓度检测系统能够长时间稳定监测到环境
中甲醛浓度的变化。
图10甲醛检测系统2
个传感器节点同时工作
图11从8：30—12：00在实验室3.5h 内检测甲醛浓度
图12所示为甲醛检测系统的远程控制界面。远程控制界面是通过LabVIEW 的Web 发布工具实现的，并且通过内网映射到外网，通过远程控制界面，可以实现
异地实时检测。
图12甲醛检测系统远程控制界面
5结论
针对生活中甲醛存在的普遍性，本文设计了一种以
48
第16期
报告字体格式要求
FPGA为基础的甲醛检测系统，用于检测室内环境中的甲醛。甲醛检测系统集成了甲醛传感器、驱动电路、无线模块等组件。系统中节点控制板可以同时接收多个传感器节点信息，并且通过FPGA强大的数据处理能力对数据进行处理，实现了多区域精确甲醛检测。检测系统还可以通过LabVIEW界面以波形图表来反映环境中的甲醛浓度变化，同时可以保存检测数据，更能发布到网络实现远程监测。硬件电路由于是自己设计焊接，所以更加经济高效。而且经过大量的实验验证其性能，展现了甲醛检测
系统相对于传统检测装置更加快速、高效、准确、方便的性能，具有传统检测装置所不具备的优势。可以看出，通过一些实验改进，此甲醛检测系统将具有更加广泛的应用前景。
参考文献
[1]QIU X，WEI Y，LI J，et al.Early detection system for coal spontaneous combustion by lar dual⁃species nsor of CO and CH4[J].Optics&lar technology，2020，121：105832. [2]TW A，SAA B，KH B.Long⁃term submergence of non⁃methanogenic oxic upland field soils helps to develop the methanogenic archaeal community as revealed by pot and field experiments[J].Pedosphere，2020，30（1）：62⁃72. [3]MA H，SUN M，ZHAN S，et al.Compact dual⁃gas nsor for simultaneous measurement of atmospheric methane，and water vapor using a3.38μm antimonide⁃distributed feedback lar diode[J].Spectrochimica acta part a molecular and biomolecular spectroscopy，2019，226：117605.
[4]RAHMAN M M.Efficient formaldehyde nsor development bad on Cu⁃codopedZnO nanomaterial by an electrochemical
approach[J].Sensors and actuators B：chemical，2019，305：127541.
[5]SHUTTER J D，ALLEN N T，HANISCO T F，et al.A new lar⁃bad and ultra⁃portable gas nsor for indoor and outdoor formaldehyde（HCHO）monitoring[J].Atmospheric measurement techniques，2019，12（11）：6079⁃6089. [6]JEAN B S，ANGELA S S，MARIA T，et al.Nanostructured tin oxide materials for the sub⁃ppm detection of indoor formaldehyde pollution[J].Talanta，2020（208）：120396. [7]YAO D C，WANG Y G，LI H R.Silver clusters bad nsor for low content formaldehyde detection in colorimetric and fluorometric dual mode[J].Sensors and actuators B：chemical，2020（305）：127451.
[8]ALLOUCH A，GUGLIELMINO M，BERNHARDT P，et al. Transportable，fast and high nsitive near real⁃time analyzers：formaldehyde detection[J].Sensors&actuators B：chemical，2013，181：551⁃558.
[9]王鹤君，黄建清，任英杰，等.基于大棚运输车的智能化小车的
设计[J].电子设计工程，2018，26（21）：148⁃150. [10]陈科睿.浅谈智能型甲醛检测机器人的工作原理及系统方案
设计[J].科技经济导刊，2019（1）：22⁃23.
[11]张娟荣，景蕾.便携式CO气体检测仪的设计与应用[J].机电
信息，2019（26）：52⁃53.
[12]白雪.基于STM32的CO气体便携检测装置设计[J].信息记录
材料，2019，20（3）：31⁃33.
[13]何源，黄梦涛，王伟峰.基于STM32L151的便携式气体检测
仪设计[J].电子产品世界，2018，25（1）：49⁃51. [14]王玲玉，郭晋川，肖海龙.一种气体检测仪的设计与研制[J].
气象科技进展，2018，8（6）：151⁃153.
[15]刘静超.基于STM32的气体分析仪设计[J].仪表技术与传感
器，2018（8）：28⁃31.
作者简介：李彬（1985—），男，吉林长春人，博士，主要研究方向为红外光电检测。
崔鹏（1994—），男，山东济宁人，硕士研究生，主要研究方向为红外光电检测。
薛梁（1997—），男，山东临沂人，硕士研究生，主要研究方向为红外光电检测。
李彬，等：基于FPGA的甲醛检测系统研制49
