摘要:为更好的监控学生宿舍空气质量，促使学生养成良好的学习生活习惯，在分析学生宿舍空气质量影响因素的基础上，利用传感器检测技术，设计一款空气质量监测仪。监测仪采用ArduinoLeonardo作为控制器，通过气体传感器和粉尘传感器采样空气中挥发性有机化合物、CO2和PM2.5的含量，经控制器分析处理后在液晶屏上进行显示；当被测宿舍的浓度值超过预设阈值时，蜂鸣器和发光二极管按照特定的频率发出声光报警。通过监测仪的设计应用，为学校信息化校园建设和学生的日常管理提供数据支撑。
关键词:Arduino；学生宿舍；空气质量监测；TVOC；PM2.5
宿舍是学生学习、生活的重要场所。通过对笔者所在的福建信息职业技术学院（以下简称“学院”）学生及辅导员教师的调查访谈得知，学院学生每天在宿舍的时间超过了50%——这个数据对高职学生而言具有一定的普适性。宿舍中的空气质量与生活在当中的学生身体健康息息相关。对于高职学生而言，学习、生活中一些不自律的生活习惯，例如在宿舍内吸烟、未及时清理的外卖残余、零食残渣等都容易对宿舍的空气质量造成不良的影响。有关研究发现，宿舍环境的空气质量与学生的咳嗽、咽炎等呼吸道疾病存在一定的关联[1]。另外，学生宿舍人均面积不大，由于人员呼吸、皮肤代谢等会释放出挥发性有机化合物（Vol⁃atileorganiccompound，VOC）[2]；同时，在没有经常性开窗通风的情况下，宿舍内的CO2浓度往往较高：这些都会引起学生身体不适，例如头痛、恶心、注意力不集中、胸闷等。因此，有必要通过技术手段，如空气质量监测仪，对学生宿舍的空气质量等环境参数进行监测显示，用数据提醒学生养成良好的学习生活习惯，保障宿舍室内良好的空气质量，以形成健康舒适的学习和生活环境。同时，也在一定程度上减轻学生辅导员的工作。
1总体设计架构
通过对引起学生宿舍空气质量变差的原因进行分析，考虑到学校所处地理位置、学生宿舍内抽烟较多以及不喜欢开窗通风等因素，设计的空气质量监测仪具备的环境参数监测功能包括：PM2.5监测、CO2含量监测、TVOC浓度监测等。为了更好的进行人机交互，监测仪还应具备按键输入控制、显示和报警等功能。此外，考虑到学校后续管理过程中的数据采集和学生宿舍舒适性的需求，在监测仪控制器的I/O端口中预留了一部分用以后续温湿度监测、无线通信、空调控制等功能的扩展。整个监测仪的设计以ArduinoLeonardo作为整个系统的控制器，它是一款以ATmega32u4为核心芯片的低成本主控器，集成了XBee和SPI，有12个模拟信号I/O口和20个数字信号I/O口，可以满足空气质量监测仪所需的输入输出I/O口数量要求。空气质量的监测采用模块化的设计思路，包括总挥发性有机化合物（Totalvolatileorganiccom⁃pound，TVOC）和二氧化碳监测模块、PM2.5监测模块和显示报警模块等，总体结构框图如图1所示。
2TVOC和CO2监测模块设计
研究发现，在人类活动为主的室内环境中，TVOC的浓度值与CO2浓度值之间有极强的相关性[3]。因此，对于TVOC和CO2浓度的监测可以利用二者之间的关联关系。综合考虑传感器的性价比之后，选用传感器CCS811作为宿舍空气质量监测仪的TVOC和CO2浓度监测用感测元件。CCS811集成了MOX（金属氧化物）气体传感器，使用AMS独有的微热板技术，内置的微控制器在使用智能检测算法进行气体检测时，可管理传感器驱动模式、数模转换器测量，并处理原始传感器数据，直接得到被测环境的TVOC浓度值，并根据TVOC与CO2之间的相关性计算得到CO2浓度值；它具有功耗低、预热时间短、体积小、适用于便携式应用的特点，内部集成模数转换器和MCU，可以对数据进行采集、计算，并且通过I2C返回数据，不需要额外进行模数转换[4]。CCS811支持浓度报警，当浓度超过设置的阈值时，会触发INT引脚产生报警控制信号。采用Fritzing软件设计的TVOC和CO2监测模块电路如图2所示，CCS811传感器的工作电源由Arduino控制器的电源输出提供，传感器的输出信号直接送到Arduino控制器中进行处理。厂家为CCS811传感器提供了信号处理的函数库“Adafruit_CCS811.h”，在分析处理采样信号并得到的TVOC和CO2的浓度的过程中，通过调用函数库中的ccs.available、ccs.readData、ccs.getTVOC、ccs.geteCO2等函数就可以很方便的得到被测环境的数据。TVOC和CO2监测模块程序的流程和实测效果分别如图3、图4所示。
3PM2.5监测模块设计
考虑到学生宿舍中PM2.5主要来源于吸烟和零食残渣等生活中的粉尘堆积，具有扩散范围小、密度高等特点。结合环境的特点，综合对比不同传感器的性能指标后，本空气质量监测仪选用夏普公司的GP2Y1010AU0F款PM2.5粉尘传感器。它是基于光的散射原理（内部电路结构如图5所示，其中红外发光二极管和光敏元件分别安装在传感器内壳的对角位置、且二者光轴相交）：当空气中的粉尘颗粒进入传感器的通孔后，会使红外发光二极管发出的光线发生散射，通过光敏元件接收散射光后，由信号处理电路等转换成电信号输出；浓度越高的时候，对光的散射越强，光敏元件接收的光强度越大，输出信号越强[5]。图5中，传感器的1～6号管脚分别对应红外发光模块电源正极、红外发光模块电源接地端、红外发光模块的启动控制、传感器电源接地端、传感器信号输出端和传感器电源正极输入端[6]。在本设计中，直接利用ArduinoLeonardo控制器的电压输出端口对传感器进行供电，传感器的输出信号由控制器的模拟信号输入端口送入控制器进行分析处理。用Fritzing软件设计的PM2.5监测模块电路如图6所示。在Arduino的编程软件中，利用传感器配套的库函数GP2Y1010AU0F.h，可以方便地实现PM2.5传感器数据的采样和分析计算，具体程序段如下：
4辅助功能设计
宿舍空气质量监测仪的电路设计，除了上述的TVOC和PM2.5监测模块之外，还应包括一些辅助电路，主要包括声光显示报警模块、电源模块等。声光报警模块包括LCD1602液晶屏、发光二极管和数字式蜂鸣器等（见图2），主要用于当传感器监测到的数据超过设定阈值时，发出特定频率的蜂鸣和灯光闪烁，提醒宿舍中的人员开窗通风或启动空调。对于整个系统的电源模块，ArduinoLeonardo的正常工作电压需求为9V，它能向外提供3.3V和5V2种电压输出，满足PM2.5传感器和TVOC传感器的供电电压需求；因此，只需要利用9V的电源适配器向ArduinoLeonardo供电即可。此外，考虑到监测仪当中传感器采样数据的阈值设置等所需按键不多，可以直接利用Arduino控制器主板上的按键作为输入按键使用。考虑到学院搬迁新校区后，地处海岛，空气中湿度大、盐分多，体感不舒服，影响宿舍的居住舒适性；还有就是，学校信息化校园建设过程中学生管理部门对于学生宿舍日常管理的需要：在设计的监测仪中还预留了温湿度监测和通信控制模块的功能接口，以满足后续的功能扩展。
5结束语
学生宿舍的空气质量影响着学生的身心健康，为更好的对学生宿舍的空气质量状况进行监控，基于Arduino控制器和传感器应用技术，针对现有学生宿舍特点设计了一套宿舍空气质量监测仪，可实现对宿舍环境的TVOC、CO2和PM2.5等环境参数的监测，并具备超限报警功能；同时，预留了温湿度监测和通信控制等扩展功能接口。经过实验验证，此监测仪具有检测速度快、精度高等特点，能够满足对学生宿舍的空气质量监测功能。
作者:何建华 翁伟 陈洪松 单位:福建信息职业技术学院