本公开涉及空气质量检测技术领域，尤其涉及一种空气质量检测设备。
背景技术：
进入21世纪，环境问题伴随中国经济的高速发展愈来愈凸显出来，进入本世纪的第二个十年以来，这一问题逐步得到了全社会的重视。经过连续多年治理，大气污染状况已大幅改善。我国国家标准为世界卫生组织(WHO)健康准则中针对发展中国家的最低一档，即便如此，在进行全国范围内74座主要城市的PM2.5监测的3年中，能够达标的城市最高不足20％，最低时只有4.1％，全国年平均超标率最高时达到105.7％，污染防治任务依然很重。中央将污染防治作为三大攻坚战之一，可见国家对于环境治理的决心和力度。
对于污染治理，监测技术首当其冲。准确和精细的大气监测可以指导控制和治理方向，达到事半功倍的效果。当前，精细化大气监测的最可行方案是网格化监测。每隔一定距离，安装一个空气质量监测设备，可以测量粉尘颗粒浓度和污染气体浓度等。一个城市会设置数十到数百个监测点。已发布的相关标准要求对这种空气质量监测设备的体积、重量、精度、功耗等都有明确要求。这就要求设备要能在尽可能小的体积下，实现较高的测量精度。
然而在实现本公开的过程中，本申请人发现，目前现有技术中的空气质量检测设备体积较大、重量较重，并且多种检测装置集成在设备上，无法根据实际情况选择合适的设备。
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
基于上述技术问题，本公开提供一种空气质量检测设备，以缓解现有技术中的空气质量检测设备体积较大、重量较重，并且多种检测装置集成在设备上，无法根据实际情况选择合适的设备的技术问题。
(二)技术方案
本公开提供一种空气质量检测设备，包括：模拟子单元，包括多个模拟信号接口，该模拟子单元用于接收、处理和发送模拟信号；多路复用器，与多个所述模拟信号接口连接，用于将多路输入的模拟信号转变为一路输出的模拟信号；模数转换子单元，与所述多路复用器连接，用于将所述多路复用器输出的模拟信号进行模数转换：以及数字子单元，设置有多个数字信号接口，至少一个所述数字信号接口与所述模数转换子单元连接，该数字子单元用于接收、处理和发送数字信号。
在本公开的一些实施例中，所述模拟子单元还包括：信号调理模块，与所述模拟信号接口连接，用于对模拟信号进行处理，包括：至少一个放大器，与所述模拟信号接口连接，用于放大模拟信号；以及第一滤波器，设置在所述放大器和所述多路复用器之间，用于提升信噪比。
在本公开的一些实施例中，所述信号调理模块还包括：自动控制增益电路，与所述放大器连接，用于提高模拟信号的精度。
在本公开的一些实施例中，所述数字子单元包括：STM32F407处理器，基于ARM CROTEX M4核心，并内置浮点运算单元和数字信号处理器；所述多路复用器和所述自动控制增益电路通过IIC总线接受所述数字子单元控制；所述数字信号接口包括：IIC总线数字通信接口、SPI接口、FSMC接口、RS232接口、RS485接口以及USART接口。
在本公开的一些实施例中，所述模数转换子单元包括：第二滤波器，与所述多路复用器连接，用于降低电路噪声；以及模数转换器，与所述第二滤波器连接，用于将模拟信号转换为数字信号。
在本公开的一些实施例中，所述放大器为跨阻放大器；所述第一滤波器为无源低通滤波器；所述第二滤波器为三阶有源低通滤波器；所述模数转换器为单通道16位模数转换器。
在本公开的一些实施例中，还包括：供电子单元，与所述模拟子单元和所述数字子单元连接，用于为所述模拟子单元和所述数字子单元供电，其包括：模拟供电模块，与所述模拟子单元连接，包括：开关电源，与系统电源连接，用于降低所述系统电源电压；以及低压差线性稳压器，与所述开关电源连接，用于进一步降低开关电源输出的电压，并降低电路噪声，为所述模拟子单元供电；数字供电模块，与所述数字子单元连接，包括：开关电源，与所述系统电源连接，用于降低所述系统电源电压，为所述数字子单元供电；以及外接设备供电模块，与所述数字子单元连接，用于为外接设备供电。
在本公开的一些实施例中，还包括：模拟信号传感器组，每一个所述模拟信号传感器用于检测空气质量，并输出与空气质量相关的模拟信号至对应的所述模拟信号接口中；数字信号传感器组，每一个所述数字信号传感器用于检测空气质量，并输出与空气质量相关的数字信号至对应的所述数字信号接口中；无线通信装置，与所述数字信号接口连接，用于将空气质量数据上传至服务器；以及报警装置，与所述数字信号接口连接，用于将空气质量数据与设定值比对并发出警报；其中，所述数字子单元接收所述模拟信号传感器组和所述数字信号传感器组输出的数据，并将所述数据转换成空气质量数据。
在本公开的一些实施例中，其中：所述模拟信号传感器组包括：电化学传感器，用于感应空气中有害气体的浓度，并输出与之相关的电信号，包括：SO2传感器、NO2传感器、CO传感器和O3传感器；PID传感器，用于感应空气中挥发性有机物的浓度，并输出与之相关的电信号；以及电压取样传感器，用于采集系统电源电压并输出与之相关的电信号；所述数字信号传感器组包括：温湿度传感器、气压传感器、噪声传感器、PM2.5传感器和气象传感器。
在本公开的一些实施例中，还包括：铁电存储器，与所述数字信号接口连接，用于存储传感器补偿数据及系统配置数据；NOR FLASH存储器，与所述数字信号接口连接，用于存储程序代码和需要快速读取的系统表单；NAND FLASH存储器，与所述数字信号接口连接，用于存储空气质量数据；电池，与所述数字信号接口连接，用于在系统断电时为数字子单元时钟单元供电；电源监控电路，与所述数字信号接口连接，用于监控数字子单元工作电压；系统时钟，与所述数字信号接口连接，用于为数字子单元提供工作时钟；以及低速时钟，与所述数字信号接口连接，用于为数字子单元时钟单元提供精准时钟信号。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的空气质量检测设备具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)通过设置多路复用器能够显著减少器件数量，在保证电路性能的同时提高电路经济性；
(2)数字子单元采用基于ARM CROTEX M4核心，并内置浮点运算单元和数字信号处理器的STM32F407处理器，该处理器具有出色的外设控制能力，并且此处理器具备强大的浮点运算和科学计算能力，同时其丰富的通信接口同样满足了此系统板级和功能模块间的繁多的通信需求；
(3)通过设置模拟信号接口与数字信号接口，能够根据现场需求灵活配置功能模块，实现对空气检测需求的经济、快速响应；
(4)通过设置无线通信装置，能够将空气质量数据上传至云存储平台，实现对整个检测区域内多个设备的监控和实时响应；
(5)同时通过设置报警模块，能够实现对异常空气质量数据的快速响应；
(6)通过NOR FLASH存储器和NAND FLASH存储器，能够实现数据处理现场化、数据存储本地化，满足单机应用需求；
(7)选用高集成度、小封装尺寸、IIC总线数字通信接口的温湿度传感器和气压传感器，以适应设备微型化的设计要求，进一步降低了该设备的整体体积。
附图说明
图1为本公开实施例空气质量监测设备中各部件连接关系示意图。
图2为图1所示空气质量监测设备中模拟子单元局部放大图。
图3为图2所示模拟子单元中信号调理模块局部放大图。
图4为图2所示模拟子单元中另一种信号调理模块局部放大图。
图5为图1所示空气质量监测设备中供电子单元局部放大图。
图6为图1所示空气质量监测设备中模拟信号传感器组的连接关系示意图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
10-模拟子单元； 20-多路复用器； 30-模数转换子单元；
40-数字子单元； 50-供电子单元； 60-模拟信号传感器组；
70-数字信号传感器组； 80-无线通信装置； 90-铁电存储器；
100-NOR FLASH存储器； 110-NAND FLASH存储器；
120-电池； 130-电源监控电路； 140-系统时钟；
150-低速时钟；
11-信号调理模块； 31-第二滤波器； 32-模数转换器；
51-模拟供电模块； 52-数字供电模块； 53-外接设备供电模块
61-电化学传感器； 62-PID传感器； 63-电压取样传感器；
71-温湿度传感器； 72-气压传感器； 73-噪声传感器；
74-PM2.5传感器； 75-气象传感器；
111-放大器； 112-第一滤波器； 113-自动控制增益电路；
511-开关电源(模拟供电模块)； 512-低压差线性稳压器；
521-开关电源(数字供电模块)。
具体实施方式
本公开实施例中，通过设置多路复用器能够显著减少器件数量，在保证电路性能的同时提高电路经济性，从而提高了空气质量检测设备的集成度并减小了体积。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
图1为本公开实施例空气质量监测设备中各部件连接关系示意图。
根据本公开实施例的一个方面，如图1所示，提供一种空气质量检测设备，包括：模拟子单元10，包括多个模拟信号接口，该模拟子单元10接收、处理和发送模拟信号；多路复用器20，与多个模拟信号接口连接，其将多路输入的模拟信号转变为一路输出的模拟信号；模数转换子单元30，与多路复用器20连接，其将多路复用器20输出的模拟信号进行模数转换：以及数字子单元40，设置有多个数字信号接口，至少一个数字信号接口与模数转换子单元30连接，该数字子单元40接收、处理和发送数字信号。将模拟信号传感器组60连接在模拟信号接口上，将数字信号传感器组70连接在数字信号接口上，通过模数转换子单元30将模拟信号转换为数字信号，并输送至数字子单元40处，数字子单元40接收模拟子单元10输送的信号以及数字信号接口输送的信号并进行统一处理，通过设置多路复用器20能够显著减少器件数量，在保证电路性能的同时提高电路经济性。
图2为图1所示空气质量监测设备中模拟子单元局部放大图。图3为图2所示模拟子单元中信号调理模块局部放大图。图4为图2所示模拟子单元中另一种信号调理模块局部放大图。
在本实施例中，如图2-图4所示，模拟子单元10还包括：信号调理模块11，与模拟信号接口连接，其对模拟信号进行处理，包括：至少一个放大器111，与模拟信号接口连接，其放大模拟信号；以及第一滤波器112，设置在放大器111和多路复用器20之间，其提升信噪比。
在本实施例中，如图3所示，信号调理模块11还包括：自动控制增益电路113，与放大器111连接，其提高模拟信号的精度。自动控制增益电路113用于保证仪器在整个量程范围的精度，实现对于量程低端的微弱信号具有足够的电路增益以获得便于后级处理的足够幅度的信号；对于量程高端的强信号适当降低电路增益以保证电路工作在线性范围而不致造成非线性失真。自动控制增益电路113是一个闭环控制功能，首先由数字子单元40对于模数转换后的信号幅度与预设的量程切换阈值进行比较，满足切换条件则数字子单元40控制自动控制增益电路113调节电路增益；为了避免在量程切换阈值处出现振荡调节，需要理想阈值(G)的高、低端分别设置由低量程向高量程切换的阈值(Gh to h)和由高量程向低量程切换的阈值(Gh to l)，其数值关系为(Gh to l)＜G＜(Gh to h)，(Gh to l)和(Gh to h)之间是为避免振荡设置的滞回区间。
在本实施例中，数字子单元40包括：STM32F407处理器，基于ARM CROTEX M4核心，并内置浮点运算单元和数字信号处理器，该处理器具有出色的外设控制能力，并且此处理器具备强大的浮点运算和科学计算能力，同时其丰富的通信接口同样满足了此系统板级和功能模块间的繁多的通信需求；多路复用器20和自动控制增益电路113通过IIC总线接受数字子单元40控制；数字信号接口包括：IIC总线数字通信接口、SPI接口、FSMC接口、RS232接口、RS485接口以及USART接口。
在本实施例中，模数转换子单元30包括：第二滤波器31，与多路复用器20连接，其降低电路噪声；以及模数转换器32，与第二滤波器31连接，其将模拟信号转换为数字信号。
在本实施例中，放大器111为跨阻放大器；第一滤波器112为无源低通滤波器；第二滤波器31为三阶有源低通滤波器；模数转换器32为单通道16位模数转换器。
图5为图1所示空气质量监测设备中供电子单元局部放大图。如图5所示，还包括：供电子单元50，与模拟子单元10和数字子单元40连接，其为模拟子单元10和数字子单元40供电，其包括：模拟供电模块51，与模拟子单元10连接，包括：开关电源511，与系统电源连接，其降低系统电源电压；以及低压差线性稳压器512，与开关电源511连接，其进一步降低开关电源511输出的电压，并降低电路噪声，为模拟子单元10供电；数字供电模块52，与数字子单元40连接，包括：开关电源521，与系统电源连接，其降低系统电源电压，为数字子单元40供电；以及外接设备供电模块，与数字子单元40连接，其为外接设备供电。系统电源的供电电压范围为10.8V至14.4V，通过开关电源511和低压差线性稳压器512能够获取低噪声5V电源，通过开关电源521能够获取3.3V电源。
在本实施例中，如图1所示，还包括：模拟信号传感器组60，每一个模拟信号传感器检测空气质量，并输出与空气质量相关的模拟信号至对应的模拟信号接口中；数字信号传感器组70，每一个数字信号传感器检测空气质量，并输出与空气质量相关的数字信号至对应的数字信号接口中；无线通信装置，与数字信号接口连接，其将空气质量数据上传至服务器；以及报警装置，与数字信号接口连接，其将空气质量数据与设定值比对并发出警报；其中，数字子单元40接收模拟信号传感器组60和数字信号传感器组70输出的数据，并将数据转换成空气质量数据。通过设置模拟信号接口与数字信号接口，能够根据现场需求灵活配置功能模块(即针对性地选择传感器的种类)，实现对空气检测需求的经济、快速响应。
图6为图1所示空气质量监测设备中模拟信号传感器组的连接关系示意图。
在本实施例中，如图6所示其中，模拟信号传感器组60包括：电化学传感器61，其感应空气中有害气体的浓度，并输出与之相关的电信号，包括：SO2传感器、NO2传感器、CO传感器和O3传感器；PID传感器62，其感应空气中挥发性有机物的浓度，并输出与之相关的电信号；以及电压取样传感器63，其采集系统电源电压并输出与之相关的电信号；数字信号传感器组70包括：温湿度传感器71、气压传感器72、噪声传感器73、PM2.5传感器74和气象传感器75。电化学传感器61用于感应空气中有害气体的浓度并输出与有害气体浓度分段线性相关的电流信号给后级信号调理模块11；PID传感器62用于感应空气中挥发性有机物的总浓度，并输出与之按一定函数关系相关的电压信号给后级信号调理模块11；电压取样传感器63按设定的时间间隔对系统电源的供电电压进行分压取样，并将获得的电压信号输出给后级信号调理模块11。电化学传感器61采用具有工作电极和辅助电极的高精度电化学传感器，与之相连的信号调理模块的初级11采用具有增益调节功能(即自动控制增益电路113)的跨阻放大器(即放大器111)并采用有效降低噪声增益的积极措施，次级采用极低截止频率无源低通滤波器(即第一滤波器112)以提升电路信噪比。PID传感器和系统电压取样电路采用两级固定增益放大器(即放大器111)以降低单级放大器电路增益，获得稳定平坦的工作带宽，而后无源低通滤波器(即第一滤波器112)滤除噪声，提高通道信噪比。
在本实施例中，如图1所示，还包括：IIC总线数字通信接口的铁电存储器90，与数字信号接口连接，其存储传感器补偿数据及系统配置数据；SPI接口的NOR FLASH(非易失)存储器100，与数字信号接口连接，其存储程序代码和需要快速读取的系统表单；FSMC接口的NAND FLASH存储器110，与数字信号接口连接，其存储空气质量数据；电池120，与数字信号接口连接，其在系统断电时为数字子单元时钟单元供电；电源监控电路130，与数字信号接口连接，其监控数字子单元工作电压；系统时钟140，与数字信号接口连接，其为数字子单元提供工作时钟；以及低速时钟，与数字信号接口连接，其为数字子单元时钟单元提供精准时钟信号。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开实施例提供的空气质量检测设备有了清楚的认识。
综上所述，本公开实施例提供的空气质量检测设备通过设置多路复用器能够显著减少器件数量，在保证电路性能的同时提高电路经济性；通过设置模拟信号接口与数字信号接口，能够根据现场需求灵活配置功能模块，实现对空气检测需求的经济、快速响应。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。