CN109975477A - 一种窄带物联网空气质量传感器装置及处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及空气检测技术领域，具体地说是一种窄带物联网空气质量传感器装置及处理方法，其特征在于：包括壳体、电路模块、显示屏；电路模块，设置在壳体内，其包括MCU处理器、电源管理电路、带ESD保护电路的RS485模块电路、上电复位电路、LCD显示屏驱动电路、NB‑IOT无线通信模块、若干传感器接口电路、ntc温度传感器电路、一氧化碳传感器电路、电流/电压模拟输出电路模块。本发明同现有技术相比，基于窄带物联网络，通过无线方式传输数据，这对于工程安装、布线和数据传输采集来说都非常方便，适用于大范围内的数据采集，只要移动、联通基站覆盖的区域都能实现数据采集。
Description
技术领域
本发明涉及空气检测技术领域，具体地说是一种窄带物联网空气质量传感器装置及处理方法。
背景技术
现有的空气质量监测设备，多采用有线的方式进行数据传输，监测范围小，工程安装不便，而WIFI，zigbee,蓝牙等无线方式也只能实现小范围的无线数据传输，无法实现大范围区域内的空气质量监测，并且检测目标单一，在需要检测综合空气质量时成本较高。
目前市场上的用于空气质量监测的设备，主要有两方面的缺陷：
1.基本都是采用有线的方式连接，这对于工程安装，布线和数据传输采集来说都很不方便，只适用于小范围内的数据采集，无法适用于大型建筑或者大区域的空气质量监测，并且随着线路老化，会造成数据传输不可靠以及带来安全隐患。
2.空气质量检测数据单一，大多是针对PM2.5或者甲醛，VOC等单一数据的检测。
基于蜂窝的窄带物联网(Narrow Band Internet of Things,NB-IoT)是IoT领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网LPWAN。NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。据说NB-IoT设备电池寿命可以提高至至少10年，同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖。
基于蜂窝的窄带物联网已成为万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180KHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。
NB-IoT具备四大特点：一是广覆盖，将提供改进的室内覆盖，在同样的频段下，NB-IoT比现有的网络增益20dB，相当于提升了100倍覆盖区域的能力；二是具备支撑海量连接的能力，NB-IoT一个扇区能够支持10万个连接，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构；三是更低功耗，NB-IoT终端模块的待机时间可长达10年；四是更低的模块成本，企业预期的单个接连模块不超过5美元。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种集成多传感器的基于窄带物联网的空气质量传感器装置及其处理方法。
为实现上述目的，设计一种窄带物联网空气质量传感器装置，其特征在于，
包括壳体、电路模块、显示屏；
——所述外壳，包括底壳及与底壳相互扣合的上壳，底壳上设有连接端子，所述的底壳与上壳上分别设有空气输入口；
——显示屏，采用LCD显示屏设置在上壳上；
——电路模块，设置在壳体内，其包括MCU处理器、电源管理电路、带ESD保护电路的RS485模块电路、上电复位电路、LCD显示屏驱动电路、NB-IOT无线通信模块、若干传感器接口电路、ntc温度传感器电路、一氧化碳传感器电路、电流/电压模拟输出电路模块；
所述的MCU处理器的各相应信号端分别一一对应连接电源管理电路、带ESD保护电路的RS485模块电路、上电复位电路、LCD显示屏驱动电路、NB-IOT无线通信模块、若干传感器接口电路、ntc温度传感器电路、一氧化碳传感器电路、电流/电压模拟输出电路模块；所述的传感器接口电路连接外置的相应的传感器，所述外置的传感器包括甲醛传感器、二氧化碳传感器、VOC传感器、PM2.5传感器、温湿度传感器；其中温湿度传感器靠近所述空气输入口；
所述的电源管理电路接收外界电源并转换为适当电源分别传输给MCU处理器、LCD显示屏驱动电路、NB-IOT无线通信模块；上电复位电路将复位信号传输给MCU处理器，NB-IOT无线通信模块提供窄带物联网网络信息给MCU处理器，传感器提供信息给MCU处理器，MCU处理器将传输过来的信息和信号进行处理后，分别给NB-IOT无线通信模块用以和远程主机通讯和LCD显示屏驱动电路显示信息；
所述LCD显示屏驱动电路的输出端连接显示屏的输入端；
所述若干连接端子分别连接电源管理电路的输入端和带ESD保护电路的RS485模块电路的通信端。
所述的MCU处理器采用STM32F03VCT6微控制芯片。
一种所述窄带物联网空气质量传感器装置的处理方法，其特征在于，当装置接通电源后，MCU处理器采用如下处理方法：
(1)、接收复位电路产生的复位信号；
(2)、进行复位处理；
(3)、确诊各传感器是否工作正常，如果各传感器工作不正常，则LCD显示屏显示传感器异常信息，通知用户进行处理；如果工作正常，则在LCD显示屏上显示传感器默认数据，直到新数据刷新；
(4)、在设定间隔时间内读取各传感器输出的数据；
(5)、各传感器输出的数据经过滤波处理后输出，其中温湿度传感器的输出数据经滤波处理后还需要进行温/湿度补偿处理；经过处理后的数据发送至LCD显示屏实时显示，并按照相应传感器检测到的不同气体的含量范围给予相应提示；同时将处理后的传感器数据通过NB-IOT无线通信模块发送给远程服务器，由远程服务器将数据汇总加工后提供给用户终端。
所述的复位处理依次包括初始化系统配置以载入预设参数、初始化各输入/输出端口、初始化NB-IOT无线通信模块以通过窄带物联网网络与远程主机建立通讯、初始化LCD显示屏驱动电路并在LCD显示屏显示欢迎信息、初始化各个传感器模块；所述的初始化各个传感器模块包括初始化各个传感器模块的通讯频率、工作模式。
所述的滤波处理采用如下方法：
(1)MCU处理器接收若干传感器采集的电流数据并将电流数据转换成数字量数据，并存储在MCU处理器的存储空间；
(2)实时记录存储空间内数据的个数，将处理的每个传感器的数据分类放置在相应的一个数组中，便于统计和处理相关信息；
(3)判断数组内采集的数据的个数，并将个数反馈到MCU处理器，如果判断出数据的个数没有达到事先设定的n个数，则将当前数据传递给MCU处理器并且处理当前数据，如果数据的个数满足n个数时，如果再接收到一个数据，则MCU处理器会将最先收到的一个数据去除，并将最新数据加入数组组成一个新的数组，即将最新收到的数据顶替最先收到的收据；所述n为大于2的整数；
(4)将数组中的n个数据按从小到大升序排列；
(5)将数组中的最大值、最小值筛选出来，去掉最大和最小的m个数；所述m为≥2的整数；
(6)将剩余数据求和得到总值，然后求出平均值。
所述温度补偿处理采用温度二次补偿算法，包括开机阶段补偿算法，稳态阶段补偿算法；
所述开机阶段补偿算法其计算公式为：Tem_act＝Tem_current+(T_offset/1800)*Timer，其中：Tem_act为当前温度；Tem_current为理论温度；T_offset为长期校准后得到的温度偏差值；1800为时间系数；Timer为工作时间；当刚上电半小时内，Tem_current基本等于环境温度，此时Timer为0，T_offset不起作用，随着时间增加，Timer增加，T_offset逐渐增加，当Timer等于1800即半小时的时候，T_offset等于稳态工作值，整个升温曲线到达最高点，补偿完成；
所述稳态阶段补偿算法；进行10点采样，分别得到Tem1,Tim1……Tem10,Tim10；其中，Tem1～10为温度，Tim1～10为时间；利用最小二乘法计算温度随时间变化拟合曲线，包括：
求和：
Tem_sum＝Tem1+Tem2+Tem3+…+Tem10；
Tim_sum＝Tim1+Tim2+Tim3+…+Tim10；
求平均值：
Mean_tem＝Tem_sum/10；
Mean_tim＝Tim_sum/10；
循环10次，i为从1到10求最小平方根：
num1+＝(Tim[i]-Mean_tim)*(Tem[i]-Mean_tem)；
num2+＝(Tim[i]-Mean_tim)*(Tim[i]-Mean_tem)；
其中num1,num2为临时变量；
计算最优拟合线性方程：
b＝num1/num2；
a＝Mean_Tem-b*Mean_tim；
Tem_cps＝(a*Tim+b)/10；其中，Tem_cps为温度变化系数；
当外界温度变化系数超过预设的阀值时，则启用该补偿算法进行温度补偿：Tact＝Tin-(Tout–Tin)*Tem_cps；其中Tact为最终温度；Tin为内置的ntc温度传感器所测得的温度；Tout为外置的温湿度传感器所测得的温度；Tem_cps为温度补偿系数。
所述的湿度补偿处理采用如下公式，RH_cp＝RH_act+(25–T_act)*Coe_temp；其中：RH_cp代表真实湿度；RH_act为经处理器采样运算后的理论湿度；25代表环境温度为25摄氏度；T_act代表当前实际环境温度；Coe_temp为经过长期测试与计算得到的温度补偿系数。
所述MCU处理器通过NB-IOT无线通信模块与远程服务器通讯时，如果通讯成功，则在LCD显示屏上显示通讯正常信息；如果第一次通讯失败，则会重复尝试设定的次数，如果在设定次数内都没有成功通讯，则判断通讯异常，将重新初始化NB-IOT无线通信模块并尝试重新与远程服务器建立连接，如通讯仍然失败，则在液晶显示屏上显示通讯异常信息，提示用户进行检查处理，如果成功，则在LCD显示屏上显示通讯正常信息。
本发明同现有技术相比，基于目前最新型的窄带物联网络，通过无线方式传输数据，这对于工程安装、布线和数据传输采集来说都非常方便，适用于大范围内的数据采集，适用于大型建筑或者大区域的空气质量监测，只要移动、联通基站覆盖的区域都能实现数据采集，实现了对空气质量的实时监测和远距离无线传输；可同时检测PM2.5、一氧化碳、二氧化碳、甲醛，VOC、温湿度；产品体积明显减小，有利于工程安装，并实现了对空气质量的全方位监测。
附图说明
图1为本发明装置的立体结构图。
图2为本发明装置的俯视透视图。
图3为本发明装置的仰视图。
图4为本发明中电路模块连接框图。
图5为本发明中带上电复位电路和调试电路的MCU的电路图。
图6为本发明中电源管理电路图。
图7为本发明中参考电压电路图。
图8为本发明中带ESD保护电路的RS485模块电路图。
图9为本发明中LCD显示屏驱动电路图。
图10为本发明中NB-IOT无线通信模块的电路图。
图11为本发明中内置的CO传感器电路图。
图12为本发明中PM2.5/CO2/甲醛传感器接口电路图。
图13为本发明中VOC/温湿度传感器接口电路图。
图14为本发明中内置的ntc温度传感器电路图。
图15为本发明中MCU处理器PD12\PD13引脚的电流/电压输出电路图。
图16为本发明的处理流程框图。
具体实施方式
现结合附图及实施例对本发明作进一步地说明。
实施例1
参见图1～图4，一种窄带物联网空气质量传感器装置，其特征在于：
包括壳体、电路模块、显示屏3；
——所述外壳，包括底壳1及与底壳相互扣合的上壳2，底壳1上设有连接端子4，所述的底壳1与上壳2上分别设有空气输入口12；
——显示屏3，采用LCD显示屏设置在上壳2上；
——电路模块，设置在壳体内，其包括MCU处理器、电源管理电路、带ESD保护电路的RS485模块电路、上电复位电路、LCD显示屏驱动电路、NB-IOT无线通信模块、若干传感器接口电路、ntc温度传感器电路、一氧化碳传感器电路、电流/电压模拟输出电路模块；
所述的MCU处理器的各相应信号端分别一一对应连接电源管理电路、带ESD保护电路的RS485模块电路、上电复位电路、LCD显示屏驱动电路、NB-IOT无线通信模块、若干传感器接口电路、ntc温度传感器电路、一氧化碳传感器电路、电流/电压模拟输出电路模块；所述的传感器接口电路连接外置的相应的传感器，所述外置的传感器包括甲醛传感器、二氧化碳传感器、VOC传感器、PM2.5传感器、温湿度传感器；其中温湿度传感器靠近所述空气输入口12；
所述的电源管理电路接收外界电源并转换为适当电源分别传输给MCU处理器、LCD显示屏驱动电路、NB-IOT无线通信模块；上电复位电路将复位信号传输给MCU处理器，NB-IOT无线通信模块提供窄带物联网网络信息给MCU处理器，传感器提供信息给MCU处理器，MCU处理器将传输过来的信息和信号进行处理后，分别给NB-IOT无线通信模块用以和远程主机通讯和LCD显示屏驱动电路显示信息；
所述LCD显示屏驱动电路的输出端连接显示屏3的输入端；
所述若干连接端子4分别连接电源管理电路的输入端和带ESD保护电路的RS485模块电路的通信端。
参见图5，本发明中MCU处理器U10采用STM32F03VCT6微控制芯片。
参见图6，本发明中电源管理电路，采用K7805-500R2的DC/DC模块电源U2，一UF250保险丝F1的一端接24V交流电源，保险丝F1的另一端一路接TVS二极管D4后接地、另一路接连接二极管D2的正极，二极管D2的负极分别连接电解电容C5的正极和36V电源以及DC/DC模块电源U2的输入引脚Vin，电解电容C5的负极接地；DC/DC模块电源的GND引脚接地，DC/DC模块电源的输出引脚Vout连接一端接地的电容C6的一端，输出5V电源，电容C6的另一端接地；
所述的MCU处理上还连接一些外围电路，包括如下外围电路：
参见图7，还包括参考电压电路，其包括LM1117稳压模块，其采用LM1117低压差电压调节器U4的输入引脚Vin输入5V电压，低压差电压调节器U4的GND引脚接地，低压差电压调节器U4的输出引脚Vout分别连接10uF电容C12的一端、0.1Uf电容C13的一端并输出3V电源，3V电源分别连接MCU处理器U10的VDD引脚及0.1uF电容C30的一端，电容C30的另一端接地；电容C12、C13的另一端分别接地；
还包括1K的电阻R21、TL431稳压二极管U9、0.1uF的电容C19、10uF的电容C20，所述的电阻R21的一端接5V电源，电阻R21的另一端分两路，一路连接稳压二极管U9的基准参考脚，另一路分别连接2.5VREF电源、稳压二极管U9的负极、电容C20的一端、电容C19的一端、2.5VREF电源；稳压二极管U9的正极、电容C20的另一端、电容C19的另一端分别接地；
参见图5，调试电路，其采用JTAG接口P204，JTAG接口P204的3V电源引脚连接3V电源，其GND引脚接地，其NTRST引脚连接MCU处理器U10的PB4/JNTRST引脚，其TDI引脚连接MCU处理器U10的PA15/JTDI引脚，其TMS引脚连接MCU处理器U10的PA13/JTMS/SWDIO引脚；其TCK引脚连接MCU处理器U10的PA14/JTCK/SWCLK引脚；其TDO引脚连接MCU处理器U10的PB3/JTDO引脚；其NSRST引脚连接MCU处理器U10的NRST引脚。
参见图8，带ESD保护电路的RS485模块电路，其可保护RS-485通信，包括SN65HVD3082收发器U11，收发器U11的驱动器输入端DI分别连接MCU处理器U10的PA9引脚；收发器U11的发送使能控制端DE分别连接收发器U11的接收使能控制端RE和MCU处理器U10的PA8引脚、10k电阻R23的一端，电阻R23的一端连接3V电源；收发器U11的输出端RO分别连接MCU处理器U10的PA10引脚；收发器U11的VCC电源端分别连接3V电源和0.1uF电容C24的一端，电容C24的另一端接地；收发器U11的GND引脚接地；收发器U11的地址信号控制端A分别连接TVS二极管D6的一端、0.1A 60V电阻管F2的一端、TVS二极管D7的一端，TVS二极管D7的另一端接地，电阻管F2的另一端依次连接0.3A_1K 10Mh的电感L1、RS485_PLUS脚；收发器U11的地址信号控制端B分别连接TVS二极管D6的另一端、0.1A 60V电阻管F3的一端、TVS二极管D8的一端，TVS二极管D8的另一端接地，电阻管F3的另一端依次连接0.3A_1K 10Mh的电感L2、RS485_MINUS脚。所述的带ESD保护电路的RS485模块电路的RS485_PLUS脚、RS485_MINUS脚分别用于连接RS-485接口CON4的第3、第4引脚，RS-485接口CON4的第5引脚连接0.1A60V电阻管F4的一端，电阻管F4的另一端接地；RS-485接口CON4的接地引脚连接0.1A60V的保险管F4后接地。
参见图9，LCD显示屏驱动电路包括TFT177F028芯片CON10，芯片CON10的LED-引脚接地，芯片CON10的LED+引脚分别连接10Uf/16V的电容C200的一端、4.7k电阻R206的一端，电容C200的另一端接地，电阻R206的另一端分别连接3.9k电阻R100的一端、1k电阻R205的一端、2N3904三极管Q200的集电极；电阻R100的另一端接地，1k电阻R205的另一端接3V电源，三极管Q200的发射极接地，三极管Q200的基极连接1k电阻R207的一端，电阻R207的另一端连接MCU处理器的PA11引脚；芯片CON10的VDD引脚连接3V电源，芯片CON10的GND、CS引脚分别接地，芯片CON10的RESET引脚连接MCU处理器U10的PC1引脚，芯片CON10的D/CX引脚连接MCU处理器U10的PC2引脚，芯片CON10的SCLK引脚连接MCU处理器U10的PC4引脚，芯片CON10的SDA引脚连接MCU处理器U10的PC3引脚，芯片CON10的GND引脚接地。
参见图10，NB-IOT收发模块包括插槽P201、插槽P202、MHDR2X8插槽P203、插槽P11、P12，实现和STM32F03VCT6微控制芯片的串口发送指令，并通过NB-IOT网络实现与远程服务器的通信。
参见图11，内置的CO传感器电路包括两个运算放大器U201A LF353P、U201BLF353P，电阻R13、R209、R301、R306、R307、R208、电容C11、C301、C302、一氧化碳传感器TGS5042。TG5042传感器将瞬时电流经过运算放大器和相关电阻组合电路被转换为传感器的输出电压输出至MCU处理器的PC0引脚。
参见图12，PM2.5、CO2、甲醛传感器接口电路分别采用插头CON5、串口U15、U14，其中插头CON5的第1、第2引脚接5V电源，插头CON5的第三引脚、第四引脚连接后接地；插头CON5的第4、5引脚空置；插头CON5的第7引脚用于连接MCU处理器的PD6引脚；插头CON5的第9引脚连接二极管D14的负极，D14的正极连接相关的外置传感器；串口U15的V引脚连接5V电源，串口U15的TXD引脚连接电极D13的负极，电极D13的正极连接MCU处理器的PB11引脚，串口U15的RXD引脚用于连接相关外置传感器，串口U15的GND引脚接地；串口U14的VCC引脚连接5V电源，串口U14的GND引脚接地，串口U14的RXD引脚连接相关的外置传感器，串口U14的TXD引脚连接二极管D12的负极，二极管D12的正极也同时连接MCU传感器的PD6引脚。
参见图13，VOC、温湿度传感器接口电路，采用VZ-89TE串口U13、插槽P1，串口U13的VCC引脚连接3V电源，串口U13的SCL引脚分别连接插槽P1的第1引脚、MCU处理器的PA2引脚；串口U13的GND引脚连接插槽P1的第3引脚；串口U13的SDA引脚分别连接插槽P1的第4引脚、MCU处理器的PA3引脚；插槽P1的第2引脚连接3V电源；
参见图14，ntc温度传感器，采用10K电阻R204的一端连接MCU处理器所供的2.5VREF电源，电阻R204的另一端分别连接10K热敏电阻U200的一端和MCU处理器的PC5引脚，热敏电阻U200的另一端接地。
参见图15，电流/电压模拟输出电路模块：
其中，4-20mA电流输出电路模块，包括4.7K电阻R4、4.7K电阻R5、1uF电容C4、0.1uF电容C3组成低通滤波稳压电路；U1运算放大器LM324第一路和LM324放大器第二路和三极管Q1、Q2，15欧姆电阻R1、360欧姆电阻R2、二极管D1、24K电阻R3、3.6K电阻R6，0.1uF电容C1、C2组成电流反馈电路；其中电阻R4一端连接MCU的CURRENT_OUT引脚，CURRENT_OUT引脚产生的PWM信号经低通滤波电路转换成稳定的输出电压产生输出电流，并经过电流反馈电路形成4-20mA的输出电流。
其中，电压输出电路包括4.7K电阻R25、47K电阻R26、1uF电容C23、0.1uF电容C22组成低通滤波稳压电路；U6运算放大器LM324第三路和三极管Q7、Q5、1K电阻R1、30K电阻R27、68K电阻R29、1K电阻R201组成电压放大电路；其中电阻R25一端连接MCU的VOLTAGE_OUT引脚，VOLTAGE_OUT引脚产生的PWM信号经低通滤波电路转换成稳定的输出电压产生输出电压，并经过电压放大电路形成0-10V的输出电压。
实施例2
一种所述窄带物联网空气质量传感器装置的处理方法，其特征在于，当装置接通电源后，MCU处理器采用如下处理方法：
(1)、接收复位电路产生的复位信号；
(2)、进行复位处理；
(3)、确诊各传感器是否工作正常，如果各传感器工作不正常，则LCD显示屏显示传感器异常信息，通知用户进行处理；如果工作正常，则在LCD显示屏上显示传感器默认数据，直到新数据刷新；
(4)、在设定间隔时间内读取各传感器输出的数据；
(5)、各传感器输出的数据经过滤波处理后输出，其中温湿度传感器的输出数据经滤波处理后还需要进行温/湿度补偿处理；经过处理后的数据发送至LCD显示屏实时显示，并按照相应传感器检测到的不同气体的含量范围给予相应提示；同时将处理后的传感器数据通过NB-IOT无线通信模块发送给远程服务器，由远程服务器将数据汇总加工后提供给用户终端。
所述的复位处理依次包括初始化系统配置以载入预设参数、初始化各输入/输出端口、初始化NB-IOT收发模块以通过窄带物联网网络与远程主机建立通讯、初始化LCD显示屏驱动电路并在LCD显示屏显示欢迎信息、初始化各个传感器模块；所述的初始化各个传感器模块包括初始化各个传感器模块的通讯频率、工作模式。
一、所述的滤波处理采用如下方法：
(1)MCU处理器接收若干传感器采集的电流数据并将电流数据转换成数字量数据，并存储在MCU处理器的存储空间；
(2)实时记录存储空间内数据的个数，将处理的每个传感器的数据分类放置在相应的一个数组中，便于统计和处理相关信息；
(3)判断数组内采集的数据的个数，并将个数反馈到MCU处理器，如果判断出数据的个数没有达到事先设定的n个数，则将当前数据传递给MCU处理器并且处理当前数据，如果数据的个数满足n个数时，如果再接收到一个数据，则MCU处理器会将最先收到的一个数据去除，并将最新数据加入数组组成一个新的数组，即将最新收到的数据顶替最先收到的收据；所述n为大于2的整数；
(4)将数组中的n个数据按从小到大升序排列；
(5)将数组中的最大值、最小值筛选出来，去掉最大和最小的m个数；所述m为≥2的整数；
(6)将剩余数据求和得到总值，然后求出平均值；
这种滤波算法的优点在于可以有效的去除在模拟量采集的过程中因外部影响导致的错误数据，可以有效的避免错误的数据采集，得到平滑的数据曲线，提高模拟量采集的准确率和稳定性。
所述温度补偿处理采用温度二次补偿算法，包括开机阶段补偿算法，稳态阶段补偿算法；
二、温度补偿算法：
众所周知，电子产品在上电时电路板和产品壳体内温度较低，而随着工作时间增加，整个设备的温度将随着元器件发热而逐渐增高，这就导致了在整个工作过程中传感器检测到的温度与外界是不同的，是不准确的，基于此，本产品在设计时开创性的采用了“两阶段双温度补偿算法”，即采用内置的ntc温度传感器和外接的温湿度传感器，通过计算两个温度传感器的差值得到设备的温度变化系数，再通过算法进行二次补偿：
1.开机阶段补偿算法：
经过长期测试，设备在上电后半小时左右温度会达到稳定状态，因此在前半小时需要对校准值进行补偿，其计算公式为：
Tem_act＝Tem_current+(T_offset/1800)*Timer；
其中：Tem_act为当前温度；Tem_current为理论温度；T_offset为长期校准后得到的温度偏差值；1800为时间系数；Timer为工作时间；
当刚上电时，Tem_current基本等于环境温度，此时Timer为0，T_offset不起作用，随着时间增加，Timer增加，T_offset逐渐增加，当Timer等于1800即半小时的时候，T_offset等于稳态工作值，整个升温曲线到达最高点，补偿完成。2.稳态阶段补偿算法：
在设备工作在稳态阶段时，元器件发热将不再是影响温度传感器准确性的主要原因，而是外部环境温度与机壳内部的温度差异，当外界环境温度变化较大时，机壳内部的温度变化反而较小，此时采用双温度传感器进行二次补偿，具体算法如下：
进行10点采样，分别得到Tem1,Tim1……Tem10,Tim10；其中，Tem1～10为温度，Tim1～10为时间；利用最小二乘法计算温度随时间变化拟合曲线：
求和：
Tem_sum＝Tem1+Tem2+Tem3+…+Tem10；
Tim_sum＝Tim1+Tim2+Tim3+…+Tim10。
求平均值：
Mean_tem＝Tem_sum/10；
Mean_tim＝Tim_sum/10。
循环10次，i为从1到10求最小平方根：
num1+＝(Tim[i]-Mean_tim)*(Tem[i]-Mean_tem)；
num2+＝(Tim[i]-Mean_tim)*(Tim[i]-Mean_tem)；
其中num1,num2为临时变量。
计算最优拟合线性方程：
b＝num1/num2；
a＝Mean_Tem-b*Mean_tim；
Tem_cps＝(a*Tim+b)/10；
其中Tem_cps为温度变化系数。
当外界温度变化系数超过预设的阀值时，则启用该补偿算法进行温度补偿：
Tact＝Tin-(Tout–Tin)*Tem_cps；其中Tact为最终温度；Tin为内置的ntc温度传感器所测得的温度；Tout为外置的温湿度传感器所测得的温度；Tem_cps为温度补偿系数。
三、湿度补偿算法：
RH_cp＝RH_act+(25–T_act)*Coe_temp；其中：RH_cp代表真实湿度；RH_act为经处理器采样运算后的理论湿度；25代表环境温度为25摄氏度；T_act代表当前实际环境温度；Coe_temp为经过长期测试与计算得到的温度补偿系数；
此算法经过长期测试与计算得出，经过长期测量证明具有相当高的准确度和灵敏度，适用于-20C到80C的大量程环境温度变化，而同类产品往往只能对温度变化做固定值的补偿或者只能对常温(20摄氏度左右)进行补偿，而不能针对温度的大范围变化进行处理。
所述MCU处理器通过NB-IOT收发模块与远程服务器通讯时，如果通讯成功，则在LCD显示屏上显示通讯正常信息；如果第一次通讯失败，则会重复尝试设定的次数，如果在设定次数内都没有成功通讯，则判断通讯异常，将重新初始化NB-IOT收发模块并尝试重新与远程服务器建立连接，如通讯仍然失败，则在液晶显示屏上显示通讯异常信息，提示用户进行检查处理，如果成功，则在LCD显示屏上显示通讯正常信息。
Claims (8)
1.一种窄带物联网空气质量传感器装置，其特征在于，
包括壳体、电路模块、显示屏(3)；
——所述外壳，包括底壳(1)及与底壳相互扣合的上壳(2)，底壳(1)上设有连接端子(4)，所述的底壳(1)与上壳(2)上分别设有空气输入口(12)；
——显示屏(3)，采用LCD显示屏设置在上壳(2)上；
——电路模块，设置在壳体内，其包括MCU处理器、电源管理电路、带ESD保护电路的RS485模块电路、上电复位电路、LCD显示屏驱动电路、NB-IOT无线通信模块、若干传感器接口电路、ntc温度传感器电路、一氧化碳传感器电路、电流/电压模拟输出电路模块；
所述的MCU处理器的各相应信号端分别一一对应连接电源管理电路、带ESD保护电路的RS485模块电路、上电复位电路、LCD显示屏驱动电路、NB-IOT无线通信模块、若干传感器接口电路、ntc温度传感器电路、一氧化碳传感器电路、电流/电压模拟输出电路模块；所述的传感器接口电路连接外置的相应的传感器，所述外置的传感器包括甲醛传感器、二氧化碳传感器、VOC传感器、PM2.5传感器、温湿度传感器；其中温湿度传感器靠近所述空气输入口(12)；
所述的电源管理电路接收外界电源并转换为适当电源分别传输给MCU处理器、LCD显示屏驱动电路、NB-IOT无线通信模块；上电复位电路将复位信号传输给MCU处理器，NB-IOT无线通信模块提供窄带物联网网络信息给MCU处理器，传感器提供信息给MCU处理器，MCU处理器将传输过来的信息和信号进行处理后，分别给NB-IOT无线通信模块用以和远程主机通讯和LCD显示屏驱动电路显示信息；
所述LCD显示屏驱动电路的输出端连接显示屏(3)的输入端；
所述若干连接端子(4)分别连接电源管理电路的输入端和带ESD保护电路的RS485模块电路的通信端。
2.如权利要求1所述的一种窄带物联网空气质量传感器装置，其特征在于，所述的MCU处理器采用STM32F03VCT6微控制芯片。
3.一种如权利要求1或2所述窄带物联网空气质量传感器装置的处理方法，其特征在于，当装置接通电源后，MCU处理器采用如下处理方法：
(1)、接收复位电路产生的复位信号；
(2)、进行复位处理；
(3)、确诊各传感器是否工作正常，如果各传感器工作不正常，则LCD显示屏显示传感器异常信息，通知用户进行处理；如果工作正常，则在LCD显示屏上显示传感器默认数据，直到新数据刷新；
(4)、在设定间隔时间内读取各传感器输出的数据；
(5)、各传感器输出的数据经过滤波处理后输出，其中温湿度传感器的输出数据经滤波处理后还需要进行温/湿度补偿处理；经过处理后的数据发送至LCD显示屏实时显示，并按照相应传感器检测到的不同气体的含量范围给予相应提示；同时将处理后的传感器数据通过NB-IOT无线通信模块发送给远程服务器，由远程服务器将数据汇总加工后提供给用户终端。
4.如权利要求3所述的窄带物联网空气质量传感器装置的处理方法，其特征在于，所述的复位处理依次包括初始化系统配置以载入预设参数、初始化各输入/输出端口、初始化NB-IOT无线通信模块以通过窄带物联网网络与远程主机建立通讯、初始化LCD显示屏驱动电路并在LCD显示屏显示欢迎信息、初始化各个传感器模块；所述的初始化各个传感器模块包括初始化各个传感器模块的通讯频率、工作模式。
5.如权利要求3所述的窄带物联网空气质量传感器装置的处理方法，其特征在于，所述的滤波处理采用如下方法：
(1)MCU处理器接收若干传感器采集的电流数据并将电流数据转换成数字量数据，并存储在MCU处理器的存储空间；
(2)实时记录存储空间内数据的个数，将处理的每个传感器的数据分类放置在相应的一个数组中，便于统计和处理相关信息；
(3)判断数组内采集的数据的个数，并将个数反馈到MCU处理器，如果判断出数据的个数没有达到事先设定的n个数，则将当前数据传递给MCU处理器并且处理当前数据，如果数据的个数满足n个数时，如果再接收到一个数据，则MCU处理器会将最先收到的一个数据去除，并将最新数据加入数组组成一个新的数组，即将最新收到的数据顶替最先收到的收据；所述n为大于2的整数；
(4)将数组中的n个数据按从小到大升序排列；
(5)将数组中的最大值、最小值筛选出来，去掉最大和最小的m个数；所述m为≥2的整数；
(6)将剩余数据求和得到总值，然后求出平均值。
6.如权利要求3所述的窄带物联网空气质量传感器装置的处理方法，其特征在于，
所述温度补偿处理采用温度二次补偿算法，包括开机阶段补偿算法，稳态阶段补偿算法；
所述开机阶段补偿算法其计算公式为：Tem_act＝Tem_current+(T_offset/1800)*Timer，其中：Tem_act为当前温度；Tem_current为理论温度；T_offset为长期校准后得到的温度偏差值；1800为时间系数；Timer为工作时间；当刚上电半小时内，Tem_current基本等于环境温度，此时Timer为0，T_offset不起作用，随着时间增加，Timer增加，T_offset逐渐增加，当Timer等于1800即半小时的时候，T_offset等于稳态工作值，整个升温曲线到达最高点，补偿完成；
所述稳态阶段补偿算法；进行10点采样，分别得到Tem1,Tim1……Tem10,Tim10；其中，Tem1～10为温度，Tim1～10为时间；利用最小二乘法计算温度随时间变化拟合曲线，包括：
求和：
Tem_sum＝Tem1+Tem2+Tem3+…+Tem10；
Tim_sum＝Tim1+Tim2+Tim3+…+Tim10；
求平均值：
Mean_tem＝Tem_sum/10；
Mean_tim＝Tim_sum/10；
循环10次，i为从1到10求最小平方根：
num1+＝(Tim[i]-Mean_tim)*(Tem[i]-Mean_tem)；
num2+＝(Tim[i]-Mean_tim)*(Tim[i]-Mean_tem)；
其中num1,num2为临时变量；
计算最优拟合线性方程：
b＝num1/num2；
a＝Mean_Tem-b*Mean_tim；
Tem_cps＝(a*Tim+b)/10；其中，Tem_cps为温度变化系数；
当外界温度变化系数超过预设的阀值时，则启用该补偿算法进行温度补偿：Tact＝Tin-(Tout–Tin)*Tem_cps；其中Tact为最终温度；Tin为内置的ntc温度传感器所测得的温度；Tout为外置的温湿度传感器所测得的温度；Tem_cps为温度补偿系数。
7.如权利要求3所述的窄带物联网空气质量传感器装置的处理方法，其特征在于，所述的湿度补偿处理采用如下公式，RH_cp＝RH_act+(25–T_act)*Coe_temp；其中：RH_cp代表真实湿度；RH_act为经处理器采样运算后的理论湿度；25代表环境温度为25摄氏度；T_act代表当前实际环境温度；Coe_temp为经过长期测试与计算得到的温度补偿系数。
8.如权利要求3所述的窄带物联网空气质量传感器装置的处理方法，其特征在于，所述MCU处理器通过NB-IOT无线通信模块与远程服务器通讯时，如果通讯成功，则在LCD显示屏上显示通讯正常信息；如果第一次通讯失败，则会重复尝试设定的次数，如果在设定次数内都没有成功通讯，则判断通讯异常，将重新初始化NB-IOT无线通信模块并尝试重新与远程服务器建立连接，如通讯仍然失败，则在液晶显示屏上显示通讯异常信息，提示用户进行检查处理，如果成功，则在LCD显示屏上显示通讯正常信息。
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