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摘 要： 针对国内现有的基于单片机或工控机数据采集系统的不足，尤其是8位/16位单片机数据采集的局限性，介绍一种基于ARM（Advanced RISC Machines）平台的车内空气污染物数据采集系统。它结合了国内外先进的传感器数据采集技术，具有耗能低、体积小、性能高，软、硬件扩充灵活的特点，其通用性、模块化和可扩展性能满足车内空气污染物检测系统设备研发的要求。
关键词： 空气质量；ARM；传感器；嵌入式
进入21世纪，汽车污染日益成为全球性问题。随着汽车数量越来越多、使用范围越来越广，它对世界环境的负面效应也越来越大，尤其是危害城市环境，引发人类呼吸系统疾病。特别是最近发生在我国的雾霾天气，严重的危害了人们的身体健康。2007年，国家环境保护总局就颁布了《车内挥发性有机物和醛酮类物质采样测定方法》[1]，不过该检测方法只是对于汽车静态检测，不能满足目前实时动态检测的要求。所以，对于汽车车内的空气质量进行实时检测的呼声也越来越高。汽车车内空气污染主要包括以下三种来源[2]：一是汽车生产时座椅、棚顶、仪表盘等处所用的胶水、纺织品、塑料配件等各种车内装饰材料挥发出来的有毒气体，包括苯、甲醛、丙酮等；二是汽车使用时从外界进入车内的汽车尾气，如一氧化碳，氮氧化合物，碳氢化合物，醛，含铅化合物，粉尘等；三是人为原因，如人体排放物，或长时间未对汽车室内进行打扫所产生湿气，霉菌等。
目前，国内针对以上所述空气污染物的检测并不完善，有的检测系统仅能检测常见且单一的污染物。而且很多检测系统采用的平台也各不相同；有的采用比较低廉的单片机平台，虽然在价格上比较便宜，但是处理速度较慢，无法满足现在复杂的汽车室内环境变化。有的采用比较昂贵的工控机为开发平台，相比之下软件硬件容易扩充，但体积庞大、无法在汽车驾驶室内安置。
在研究汽车驾驶室空间及目前车内污染物检测装置发展的前提下，本文设计一种方便可控、高性能的基于ARM7的汽车室内空气污染物数据采集监测装置。按照《车内空气污染物测量方法》以及《环境空气质量标准》[3]所提出的最新PM2.5的标准，对甲醛，苯，一氧化碳，二氧化硫，含铅化合物，粉尘浓度，温湿度等重要因素进行实时采集，通过高性能处理器进行数据处理，通过液晶屏显示检测数据及蜂鸣报警器来提醒司机采取措施。
1 检测系统硬件设计
1.1 运用平台
检测系统硬件部分采用的处理器是STM32F107VCT6，该处理器基于ARM V7架构的Cortex-M3内核，主频72Mhz，内部含有256K字节的FLASH和64K和SRAM.是专为嵌入式应用而设计的处理器。该处理器具备2个RS-232/485/串口、双10/100Mbps以太网端口、2个USB 接口及用于数据存储扩充的SD卡接口，另外处理器还拥有了8 个DI/DO 通道，可以十分便捷的用来处理I/O 端口的事件。
1.2 信号采集
使用STM32F107VCT6处理器来采集多路传感器的数据信号，数据信号经串口传输给STM32F107VCT6，其硬件电路如图1所示。
图1 模拟信号采集电路设计图
1.3 数据存储器
由于车内空气污染物自动检测系统采集的数据众多，采集系统选用高容量大的CF卡存储数据。对于STM32F107VCT6处理器，本身带有CF卡存储扩展口。可以及时的存储收集到采集的数据。
1.4 传感器的选型
该车内空气污染物检测系统采用的各类型传感器有甲醛传感器，苯类传感器，一氧化碳传感器，二氧化硫传感器，粉尘传感器，温湿度传感器，下面列举其中两种传感器，其型号及参数如下：
1.4.1 甲醛传感器
YL003甲醛气体传感器用于家庭及工业对甲醛有机挥发性、有毒有害、甲醛类及其他挥发性气体的检测[4]。特别适用于工业型气体检测报警仪及家用气体检测报警器等产品，用于检测挥发性气体气体浓度及危害。
特性参数：
注意事项：
1）气敏元件开始工作时，需预热3-5分钟后方可使用。
2）不能在腐蚀性气体环境下工作。
1.4.2 一氧化碳传感器
MQ309A是一种SnO2半导体气体传感器，它在探测CO气体方面有很好的性能。它是一种采用定期改变工作温度进行检测的微型敏感元件，具有高的灵敏度和选择性，湿度对它的影响很小。
标准工作条件：
2 系统软件设计
2.1 软件开发平台
选择目前开源性强，支持多任务，多用户，运行稳定的Linux操作系统。在Linux操作系统下使用C语言开发本系统，C语言是以函数形式提供给用户的，这些函数可方便的调用，并具有多种循环、条件语句控制程序流向，从而使程序完全结构化，加之其代码可移植性好，高效率的运行方式，方便的升级维护手段，种种优点决定了C语言十分适合本系统软件开发。
2.2 软件具体设计
采用了模块化的设计方法对该系统进行应用软件的设计。其主要模块有初始化模块，系统预热模块，数据采集模块，数据处理模块，数据显示模块等。
1）初始化模块
为应用软件的运行做准备，检查系统的各硬件部分，提前读取设置参数和暂存的数据，对硬件接口进行初始化，设置数据缓冲区等。
2）系统预热模块
由于本检测系统涉及的传感器较多，在传感器开始检测前，需要对系统进行预热，预热时间为15秒。
3）数据采集模块
数据采集通过串口来进行，对传感器采集过来的数据格式进行处理，获取相应的测量数据，根据上诉传感器定好的标准标参数进行计算数据。
4）数据处理模块
由于本检测系统具有实时性，对处理后的数据需要及时的显示出来。但在汽车行驶的时候，不确定因素很多。所以对于数据处理模块的稳定性要求特别严格，所以该数据处理模块加在具有保护的屏蔽盒内。
5）数据显示模块
采用ARMJISHU公司提供的3.2/2.8TFTLCD触摸屏，STM32F107VCT6处理器自带的触摸屏接口，引出LCD控制器和触摸屏的全部信号。触摸屏显示分辨率64万色可以逼真的显示图片，文字和菜单等。配合触摸屏功能实现灵活的控制。
2.3 具体模块实现
2.3.1 数据采集模块
本模块主要是通过串口来实现数据采集功能和数据通信功能，所以必须先开发串口驱动程序。STM32的USART为通用同步异步收发器，支持同步单向通信和半双工单线通信。STM32F10
7VCT6提供了一种灵活的方法与使用工业标准NRZ异步串行数据格式的外部设备之间进行全双工数据交换。利用分数波特率发生器提供宽范围的波特率选择。它支持同步单向通信和半双工单线通信，也支持LIN（局部互联网），智能卡协议和IrDA（红外数据组织）SIRENDEC规范，以及调制解调器（CTS/RTS）操作。它还允许多处理器通信。还可以使用DMA方式，实现高速数据通信。
一般有两种工作方式：查询和中断。
1）查询：串口程序不断地循环查询，看看当前有没有数据要它传送。如果有，就帮助传送（可以从PC到STM32板子，也可以从STM32板子到PC）。
关键词： 空气质量；ARM；传感器；嵌入式
进入21世纪，汽车污染日益成为全球性问题。随着汽车数量越来越多、使用范围越来越广，它对世界环境的负面效应也越来越大，尤其是危害城市环境，引发人类呼吸系统疾病。特别是最近发生在我国的雾霾天气，严重的危害了人们的身体健康。2007年，国家环境保护总局就颁布了《车内挥发性有机物和醛酮类物质采样测定方法》[1]，不过该检测方法只是对于汽车静态检测，不能满足目前实时动态检测的要求。所以，对于汽车车内的空气质量进行实时检测的呼声也越来越高。汽车车内空气污染主要包括以下三种来源[2]：一是汽车生产时座椅、棚顶、仪表盘等处所用的胶水、纺织品、塑料配件等各种车内装饰材料挥发出来的有毒气体，包括苯、甲醛、丙酮等；二是汽车使用时从外界进入车内的汽车尾气，如一氧化碳，氮氧化合物，碳氢化合物，醛，含铅化合物，粉尘等；三是人为原因，如人体排放物，或长时间未对汽车室内进行打扫所产生湿气，霉菌等。
目前，国内针对以上所述空气污染物的检测并不完善，有的检测系统仅能检测常见且单一的污染物。而且很多检测系统采用的平台也各不相同；有的采用比较低廉的单片机平台，虽然在价格上比较便宜，但是处理速度较慢，无法满足现在复杂的汽车室内环境变化。有的采用比较昂贵的工控机为开发平台，相比之下软件硬件容易扩充，但体积庞大、无法在汽车驾驶室内安置。
在研究汽车驾驶室空间及目前车内污染物检测装置发展的前提下，本文设计一种方便可控、高性能的基于ARM7的汽车室内空气污染物数据采集监测装置。按照《车内空气污染物测量方法》以及《环境空气质量标准》[3]所提出的最新PM2.5的标准，对甲醛，苯，一氧化碳，二氧化硫，含铅化合物，粉尘浓度，温湿度等重要因素进行实时采集，通过高性能处理器进行数据处理，通过液晶屏显示检测数据及蜂鸣报警器来提醒司机采取措施。
1 检测系统硬件设计
1.1 运用平台
检测系统硬件部分采用的处理器是STM32F107VCT6，该处理器基于ARM V7架构的Cortex-M3内核，主频72Mhz，内部含有256K字节的FLASH和64K和SRAM.是专为嵌入式应用而设计的处理器。该处理器具备2个RS-232/485/串口、双10/100Mbps以太网端口、2个USB 接口及用于数据存储扩充的SD卡接口，另外处理器还拥有了8 个DI/DO 通道，可以十分便捷的用来处理I/O 端口的事件。
1.2 信号采集
使用STM32F107VCT6处理器来采集多路传感器的数据信号，数据信号经串口传输给STM32F107VCT6，其硬件电路如图1所示。
图1 模拟信号采集电路设计图
1.3 数据存储器
由于车内空气污染物自动检测系统采集的数据众多，采集系统选用高容量大的CF卡存储数据。对于STM32F107VCT6处理器，本身带有CF卡存储扩展口。可以及时的存储收集到采集的数据。
1.4 传感器的选型
该车内空气污染物检测系统采用的各类型传感器有甲醛传感器，苯类传感器，一氧化碳传感器，二氧化硫传感器，粉尘传感器，温湿度传感器，下面列举其中两种传感器，其型号及参数如下：
1.4.1 甲醛传感器
YL003甲醛气体传感器用于家庭及工业对甲醛有机挥发性、有毒有害、甲醛类及其他挥发性气体的检测[4]。特别适用于工业型气体检测报警仪及家用气体检测报警器等产品，用于检测挥发性气体气体浓度及危害。
特性参数：
注意事项：
1）气敏元件开始工作时，需预热3-5分钟后方可使用。
2）不能在腐蚀性气体环境下工作。
1.4.2 一氧化碳传感器
MQ309A是一种SnO2半导体气体传感器，它在探测CO气体方面有很好的性能。它是一种采用定期改变工作温度进行检测的微型敏感元件，具有高的灵敏度和选择性，湿度对它的影响很小。
标准工作条件：
2 系统软件设计
2.1 软件开发平台
选择目前开源性强，支持多任务，多用户，运行稳定的Linux操作系统。在Linux操作系统下使用C语言开发本系统，C语言是以函数形式提供给用户的，这些函数可方便的调用，并具有多种循环、条件语句控制程序流向，从而使程序完全结构化，加之其代码可移植性好，高效率的运行方式，方便的升级维护手段，种种优点决定了C语言十分适合本系统软件开发。
2.2 软件具体设计
采用了模块化的设计方法对该系统进行应用软件的设计。其主要模块有初始化模块，系统预热模块，数据采集模块，数据处理模块，数据显示模块等。
1）初始化模块
为应用软件的运行做准备，检查系统的各硬件部分，提前读取设置参数和暂存的数据，对硬件接口进行初始化，设置数据缓冲区等。
2）系统预热模块
由于本检测系统涉及的传感器较多，在传感器开始检测前，需要对系统进行预热，预热时间为15秒。
3）数据采集模块
数据采集通过串口来进行，对传感器采集过来的数据格式进行处理，获取相应的测量数据，根据上诉传感器定好的标准标参数进行计算数据。
4）数据处理模块
由于本检测系统具有实时性，对处理后的数据需要及时的显示出来。但在汽车行驶的时候，不确定因素很多。所以对于数据处理模块的稳定性要求特别严格，所以该数据处理模块加在具有保护的屏蔽盒内。
5）数据显示模块
采用ARMJISHU公司提供的3.2/2.8TFTLCD触摸屏，STM32F107VCT6处理器自带的触摸屏接口，引出LCD控制器和触摸屏的全部信号。触摸屏显示分辨率64万色可以逼真的显示图片，文字和菜单等。配合触摸屏功能实现灵活的控制。
2.3 具体模块实现
2.3.1 数据采集模块
本模块主要是通过串口来实现数据采集功能和数据通信功能，所以必须先开发串口驱动程序。STM32的USART为通用同步异步收发器，支持同步单向通信和半双工单线通信。STM32F10
7VCT6提供了一种灵活的方法与使用工业标准NRZ异步串行数据格式的外部设备之间进行全双工数据交换。利用分数波特率发生器提供宽范围的波特率选择。它支持同步单向通信和半双工单线通信，也支持LIN（局部互联网），智能卡协议和IrDA（红外数据组织）SIRENDEC规范，以及调制解调器（CTS/RTS）操作。它还允许多处理器通信。还可以使用DMA方式，实现高速数据通信。
一般有两种工作方式：查询和中断。
1）查询：串口程序不断地循环查询，看看当前有没有数据要它传送。如果有，就帮助传送（可以从PC到STM32板子，也可以从STM32板子到PC）。