一种基于AR预测的抗潮湿抗干扰负氧离子监测系统

技术领域

本发明涉及空气负氧离子测量技术领域，具体涉及一种基于AR预测的抗潮湿抗干扰负氧离子监测系统。

背景技术

被称之为“空气维生素”的负氧离子有利于人体的身心健康。它主要对人的机体生理活动产生影响。对人体健康十分有利，是人类生活不可缺少的一部分。随着经济、社会、科学技术的高速发展、人类对环境的重视程度也越来越高，也充分认识到人与自然和谐发展的重要性，也迫切希望获得宜居的生活环境，而空气中负氧离子浓度作为评价环境好坏的依据之一，测量负氧离子浓度，对保护环境以及对人类的健康管理有着重要的意义。

目前市面上存在的负氧离子监测设备主要由传感器、信号放大电路、模数转换、数据处理组成，传统的设计为主板集中一个电源供电，这种设计容易造成数字和模拟电路电源互相干扰问题以及外界电磁干扰，导致数据不准确的问题；负氧离子采集器容易受湿度影响，当空气湿度大时，空气中的水汽容易附着在极化板和收集板之间的隔离物或支撑架上，形成漏电流甚至短路，影响了微电流的测量，造成离子浓度测量误差。目前市场上很多负氧离子监测设备都没有适应潮湿环境工作的功能。部分负氧离子监测设备数据波动大，从几百到上千的数据范围波动，容易造成数据不准确，因此，急需要一种方法和设备可以实时修正信号的干扰量和抗潮湿的功能，使测量的数据更加准确可靠，能够全天候测量。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了基于AR预测的抗潮湿抗干扰负氧离子监测系统。

为了实现上述目的，本发明提出了一种基于AR预测的抗潮湿抗干扰负氧离子监测系统，所述系统包括：离子采集模块、中央处理模块和自动抗潮模块；其中，

所述离子采集模块，用于在中央处理模块的控制下测量空气中负氧离子对应的电流值，并将电流值转换为电压值发送至中央处理模块；

所述中央处理模块，用于根据若干个电压值，由AR自回归模型得到电压测算值，根据离子浓度计算方法由电压测算值得到对应的负氧离子浓度值；还用于控制自动抗潮模块和离子采集模块的启动；

所述自动抗潮模块，用于测量温度和湿度并输入中央处理模块，并在中央处理模块的控制下启动加热模式以使得系统的温度和湿度指标满足监测条件。

作为上述系统的一种改进，所述离子采集模块包括：负氧离子采集器、微弱电流检测电路和放大电路；其中，

所述负氧离子采集器，为圆筒轴式结构，用于采用吸入法测量空气中负氧离子对应的电流值；其中，外管道半径为R，内轴半径为r，内轴长度为L；

所述微弱电流检测电路，用于将电流值转化为电压值；

所述放大电路，用于对电压值进行放大和滤波处理，并输入中央处理模块。

作为上述系统的一种改进，所述中央处理模块包括处理单元和控制单元；其中，

所述处理单元，用于对电压值数据进行软件滤波降噪，将滤波降噪后的若干个电压值，由AR自回归模型得到电压测算值，根据离子浓度计算方法由电压测算值得到对应的负氧离子浓度值；

所述控制单元，用于根据接收的温度和湿度进行判断，当温度小于0°或湿度大于70％RH时，启动自动抗潮模块进入加热模式，当温度和湿度均达到预设值时，启动离子采集模块。

作为上述系统的一种改进，所述将滤波降噪后的若干个电压值，由AR自回归模型得到电压测算值；具体为：

其中，X为电压测算值，x

由最小二乘原理得到AR自回归模型的参数估计值

其中，T表示转置，A为数据矩阵：

其中，N为AR模型的阶数最大值；

Y为AR自回归模型的表示，满足下式：

其中，

ε为白噪声转矩矩阵：

ε＝[α

作为上述系统的一种改进，所述根据离子浓度计算方法由电压测算值得到对应的负氧离子浓度值；具体为：

根据下式计算得到离子迁移率k

k

其中，v

其中，R为负氧离子采集器的外管道半径，r为内轴半径，L为内轴长度；

负氧离子浓度值Q为：

其中，I为负氧离子采集器测量的电流值，M表示负氧离子采集器的体积流量，为空气流速与负氧离子采集器有效横截面积的乘积，e为离子带电量。

作为上述系统的一种改进，所述系统还包括供电模块，用于提供所述系统工作用的直流电源。

作为上述系统的一种改进，所述系统集成在金属盒内，用于屏蔽外界电磁干扰。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1、本发明能适应在各种潮湿环境下使用，具备防潮、防露、防霜的基本功能，能全天候测量；

2、本发明在电路设计和PCB设计方面，同时在采集电路增加屏蔽腔体，整体提高了系统抗干扰能力，保证了测量数据的稳定性；

3、本发明在数据处理方面采用AR拟合预测算法，保证测量数据稳定性。

附图说明

图1是本发明实施例1的基于AR预测的抗潮湿抗干扰负氧离子监测系统的组成原理框图；

图2(a)是本发明的第一电源电路原理图；

图2(b)是本发明的第二电源电路原理图；

图3是本发明的加热控制电路原理图；

图4是本发明本发明的加热PTC和离子采集器安装示意图；

图5是本发明的负氧离子采集器结构图；

图6是本发明的微弱电流检测电路原理图；

图7是本发明的放大电路原理图；

图8是本发明的系统工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。

如图1所示，本发明提出了一种基于AR预测的抗潮湿抗干扰负氧离子监测系统，系统包括：中央处理模块、自动抗潮模块、离子采集模块以及电源管理模块；

中央处理模块，采用SMT32F103RCT6芯片，SMT32F103RCT6控制整个系统的工作逻辑和对测量数据进行计算处理，它具有更先进的内核、更多的资源集、更强的外设功能、更高的性能，最高运行频率可达72Mhz，其极大的提高控制算法的执行速率。

电源管理模块，本系统采用DC12V供电，经过插座，通过自恢复保险丝后接入系统，采用低压差电源芯片L78M05ABDT-TR输出5V，经过XC6206P332MR输出3.3V供SMT32F103RCT6芯片工作和采集单元放大电路工作，主芯片启动工作后，启动DC-DC转换芯片MP2359输出5V给外设5V供电。L78M05ABDT-TR是一款三端正电压稳压器，输出电压为5V，输出电流高达500mA，具有内部电流限制，安全区域保护和热关断功能。电源电路如图2(a)、(b)所示。

电源芯片MP2359芯片，其输出电流可达1.2A，根据下列公式，按输出电压值的计算反馈电阻的阻值。经过计算，输出5V电压，电阻R46＝9.53KΩ，R48＝49.9KΩ。L1选用4.7uH功率电感，有利提高带载能力。

R46＝R48/{(V

L＝W

其中，R46、R48为反馈电阻，V

自动抗潮模块，包括：温湿度检测电路和加热电路。其中，

温湿度检测电路采用SHT30芯片，其电路原理如图4所示，其温度检测范围：-40°到125°，湿度检测范围是0-100％RH。其工作原理是通过IIC协议和MCU建立通信，MCU写寄存器和读出寄存器的值。获取传感器监测的温湿度。

加热电路如图3所示，当中央处理器检测到湿度达到70％RH以上时，PC6输出高电平，U4闭合，PTC启动加热工作。加热PTC和负氧离子采集器接触安装，其安装示意图如图4所示。图中位置1为加热PTC，位置2为离子采集器。

离子采集模块，包括：离子采集器、微弱电流检测电路、放大电路。

离子采集器，采用圆筒轴式设计方式，如图5所示，其设计的外管道半径R＝7.6mm，内轴半径r＝3mm，内轴长度L＝66mm；选用1.6CFM风量的轴流风扇，其产生的气流速度v＝4.88m/s，极化电压U＝-24V，

根据离子迁移率计算公式，如下：

k

其中：k

通过计算，离子迁移率大于0.4cm

空气中离子浓度和离子收集器参数、电流的关系式如下：

其中：Q表示空气中离子浓度(单位为：个/cm

微弱电流检测电路，电路原理图如图6所示，选用LMP7721芯片进行设计，LMP7721采用的8引脚SOIC封装,可在1.8V至5.5V的供电电压范围,输入偏置电流最低可达3fA，摄氏25度时输入偏置电流保证不超过20fA，而且在整个输入共模电压范围内输入偏置电流都能保持在极低的水平。此外，这款放大器芯片的增益带宽也极高，开环增益更高达120dB，因此可确保信号调整更为准确。电路R2选用1％误差的高压电阻，配备C1可提升转换时间，通过该电路，可将离子采集器采集的电流变化转化为电压变化。

放大电路，放大电路原理图如图7所示，采用双路AD8552设计，AD8552的失调电压仅为1μV，漂移为0.005μV/℃，因而特别适合不容许存在任何误差源的应用。器件在工作温度范围内的漂移接近零，轨到轨输入和输出摆幅能力则使高端与低端检测均得以实现。

本系统在PCB设计和电源设计上，还采用了提高抗干扰技术，具体如下：

1)在PCB设计上，微弱电流-电压转换部分采用了单独设计，并加金属屏蔽罩进行屏蔽，提高抗干扰能力；在采集主板设计上，采用数模分隔设计，隔离间距满足PCB设计3W原则，采用单点共地的设计方法。减少板间电磁干扰。PCB层叠采用4层设计，敏感信号设计在第三层给予屏蔽。

2)在电源设计上，微弱电流检测电路采用低压差LDO进行单独供电，极性电源采用单独转换芯片进行供电，并进行隔离，这样敏感部分的电源得到互相区分，干扰得到有效的隔离。

3)在整个系统外壁采用金属外盒进行屏蔽包装，进一步提高外接因素对系统的电磁干扰。

基于上述系统，具体的工作流程如图8所示，系统上电复位，STM32F1进行初始化，系统开始正常工作，先判断工作环境是否在设定门限值内，如不在范围内，则启动加热模块对离子采集器进行恢复，如在，则启动离子采集、数据处理和数据输出。具体步骤包括：

步骤1)电源系统上电。

系统初始化，进入休眠状态。每隔20分钟启动一次

步骤2)系统进入工作状态。

步骤2-1)启动和温湿度检测。系统启动后，开始检测系统温湿度，判断系统工作状态。如果出现温度小于0°或湿度大于70％RH，中央处理模块则启动加热模块进行系统加热恢复，待温湿度达到正常值时，启动下一步工作，否者继续进行自动抗潮模块工作。以确保测量结果的准确性。

步骤2-2)离子采集。

系统正常工作后，开启离子采集器极性电压，预热1分钟后，系统自动调零，启动离子采集器上的风扇进行工作，开始采集负氧离子，采集电路根据离子数量变化产生变化的电压值即时被中央处理器采集和AD转换。

步骤2-3)数据处理。

中央处理模块经过AD转换后，获得负氧离子变化的导致电压变化的电压值，根据负氧离子浓度计算方式计算出当前状态下负氧离子浓度，为了获得更加准确和稳定的浓度值，还需要对变化的电压值数据进行软件滤波降噪，本发明采用AR自回归模型的方法，自回归模型是用自身做回归变量的过程，既利用前期若干时刻的随机变量的线性组合来描述以后某时刻随机变量的线性回归模型。

其过程如下：

1、AR模型表示：

其中：x

2、模型参数的最小二乘估计。

1)采样电压样本值{x

负氧离子采样电压样本数据转矩矩阵表示为：

Y＝[x

样本数据白噪声转矩矩阵表示为：

ε＝[α

样本数据回归系数转矩矩阵表示为：

数据矩阵表示为：

2)采样的样本数据AR模型可表示为：

3)由最小二乘原理可得模型参数可估计为：

4)噪声估计值为：

其中：t＝p+1,…,N

5)噪声方差

步骤2-4)结果输出。

步骤3)系统完成一次测量后，将再次进入休眠状态，继续等待20分钟后的启动触发。

步骤4)系统不停循环以上步骤1)-步骤3)。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。