室內(nèi)空氣智能調(diào)控系統(tǒng)

胡鳴蕾，葛 熠，馬 麗，王 佳，朱益民

（南京信息工程大學(xué) 江蘇 南京 210044）

隨著社會(huì)的進(jìn)步和生活水平提高，人們對(duì)居住環(huán)境提出了越來(lái)越高的要求，除了舒適的熱環(huán)境外，空氣的健康清新、調(diào)控安全便捷也引起了人們?cè)絹?lái)越廣泛的關(guān)注。目前絕大部分建筑物中僅配有簡(jiǎn)單的通風(fēng)換氣設(shè)備，無(wú)法實(shí)現(xiàn)人性化的智能調(diào)控。如何實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣污染物的監(jiān)測(cè)與報(bào)警以及智能調(diào)節(jié)，已成為智能家居領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由傳感器模塊、無(wú)線模塊、單片機(jī)控制模塊、步進(jìn)電機(jī)模塊、短信模塊5部分組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1.2 工作原理

傳感器模塊檢測(cè)到氣體濃度超標(biāo)時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，通過(guò)無(wú)線發(fā)射、接收后傳送到單片機(jī)控制模塊，啟動(dòng)控制程序，并向電機(jī)模塊及短信模塊發(fā)出工作信號(hào)，整個(gè)過(guò)程依賴于主控制模塊程序的運(yùn)行，通過(guò)添加傳感器模塊及編寫(xiě)不同程序可以實(shí)現(xiàn)多種控制功能。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the system

2 硬件部分

2.1 傳感器模塊

選取3種常見(jiàn)的氣體及相應(yīng)的傳感器：甲烷（傳感器MQ5），氨氣（傳感器 MQ137），二氧化碳（傳感器（MG811）[1]。 3種傳感器具有高靈敏度、高穩(wěn)定性、使用壽命長(zhǎng)、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，適合于家庭中使用。

電路部分選用LM393比較器[2]，其工作電源電壓范圍寬，單電源（2～36 V）；消耗電流小，輸入失調(diào)電壓小，VIO=±2 mV；輸出與TTL，DTL，MOS，CMOS等兼容；當(dāng)監(jiān)測(cè)氣體濃度達(dá)到既定值時(shí)A、B兩端電壓變化，經(jīng)LM393比較，輸出低電平，由單片機(jī)控制部分采集。電路如圖2所示。

2.2 無(wú)線模塊

無(wú)線發(fā)射電路以 MICRF102為核心[3]，MICRF102采用SOP（M）-8封裝，芯片內(nèi)包括由基準(zhǔn)振蕩器、相位檢波器、分等構(gòu)成的合成器；發(fā)射偏置控制；RF功率放大器；無(wú)線調(diào)諧控制和變?nèi)荻O管等電路，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入—無(wú)線輸出。

圖2 傳感器模塊電路Fig.2 Sensor module circuit

無(wú)線接收電路以MICRF007為核心，MICRHl07采用SOP9（M）—8封裝，芯片電路可分為UH F下變換器、OOK解調(diào)器和基準(zhǔn)控制3部分。

2.3 單片機(jī)控制模塊

采用STC89C52單片機(jī)[5]，STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器，單芯片上擁有8位CPU，內(nèi)帶4 K字節(jié)EEPROM存儲(chǔ)空間，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)。單片機(jī)接收來(lái)自傳感器模塊的低電平信號(hào)，通過(guò)程序運(yùn)行后轉(zhuǎn)換為電機(jī)模塊及短信模塊的控制信號(hào)，控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。

2.4 電機(jī)模塊

此部分選用28BY J48型號(hào)步進(jìn)電機(jī)[5]，在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的[6]；驅(qū)動(dòng)芯片使用ULN2003，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速較低，適合排氣扇打開(kāi)使用。模塊收到信號(hào)后工作，通風(fēng)換氣。此部分電路如圖3所示。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊Fig.3 Motor drive modules

2.5 短信模塊

選用西門子公司的TC35短信模塊[7]，TC35型模塊是終端的主要功能部件，由GSM基帶處理器、電源專用集成電路、射頻電路和閃速存儲(chǔ)器等部分組成，負(fù)責(zé)處理GSM蜂窩設(shè)備中的音頻、數(shù)據(jù)和信號(hào)。 終端系統(tǒng)的工作電壓為5 VDC。由于TC35的突發(fā)耗電電流峰值可達(dá)3 A，故外加穩(wěn)壓器件必須達(dá)到足以提供該額定電流的條件。在該終端中，采用LM2596型開(kāi)關(guān)電源完成12 V到5 V的轉(zhuǎn)換，作為TC35終端的電源。必須注意的是，由LM2596完成開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換需要大功率的電感器和電容器，以提高儲(chǔ)能能力，滿足TC35的耗電要求。

2.6 電源模塊

系統(tǒng)需提供5 V（甲烷、氨氣傳感器模塊，電機(jī)模塊，短信模塊等部分）、6 V（二氧化碳傳感器模塊）直流電源，設(shè)計(jì)電源模塊電路，通過(guò)220 V轉(zhuǎn)9 V變壓器[8]及三端穩(wěn)壓器7805、7806產(chǎn)生所需的電源電壓以供傳感器、電機(jī)、單片機(jī)使用。輔助電源原理圖如圖4，變壓器產(chǎn)生9 V左右的交流電，輔助電源的輸入端電源由變壓器輔助線圈提供，經(jīng)過(guò)整流橋整流和電容后濾成9 V作為三端穩(wěn)壓器輸入電源[9]。

圖4 電源模塊Fig.4 Power supply module

3 軟件部分

該部分為短信模塊的調(diào)試運(yùn)行。TC35模塊采用AT賀氏指令。單片機(jī)通過(guò)AT指令對(duì)TC35模塊進(jìn)行初始化和短消息的接收發(fā)送。對(duì)短消息的控制共有3種模式:Block模式、PDU模式和Text模式。本系統(tǒng)使用PDU模式進(jìn)行短消息的接收和發(fā)送[10]。

3.1 初始化指令

1）設(shè)置短消息發(fā)送格式AT+CMGF=1；2）設(shè)置短消息中心 AT+CSCA=″+8613800250500″（短消息中心，不同地區(qū)不同，此為南京）；3）設(shè)置短消息到達(dá)自動(dòng)提示AT+CNMI=1，1，0，0，1，。

3.2 發(fā)送短消息

先發(fā)送短消息數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，AT+CMGS=。等待TC35模塊返回ASCII字符“>”，則可以將PDU數(shù)據(jù)輸入，PDU數(shù)據(jù)以作為結(jié)束符。

3.3 接收短消息

短消息到來(lái)后，單片機(jī)接收到指令+CMTI:″SM″，INDEX（信息存儲(chǔ)位置）。讀取PDU數(shù)據(jù)的AT命令為AT+CMGR=INDEX，則模塊返回剛剛收到的PDU格式的短消息內(nèi)容。

3.4 PDU數(shù)據(jù)示例

如需要發(fā)送漢字“煤氣泄漏”到手機(jī)15365181385，則首先發(fā)送數(shù)據(jù)串AT+CMGS=0，然后等待ASCII字符“>”，然后輸入PDU數(shù)據(jù)00 11 00 0D 91 685163151883F5 00 08 A9 0A71646C146CC46F0F1A。（以上幾步中操作成功則模塊返回OK）軟件部分流圖如圖5所示。

圖5 短信模塊工作流程Fig.5 Workflow of SMS module

4 系統(tǒng)運(yùn)行

傳感器模塊檢測(cè)到相應(yīng)氣體后通過(guò)無(wú)線模塊向控制中心發(fā)送信號(hào)，電機(jī)模塊收到控制中心信號(hào)開(kāi)始運(yùn)行，排氣扇工作，實(shí)現(xiàn)氣體交換。短信模塊收到控制中心指令后啟動(dòng)，向指定用戶發(fā)送短信警報(bào)，以便用戶及時(shí)采取措施。整個(gè)系統(tǒng)各部分工作互不影響，很好的實(shí)現(xiàn)的既定功能。

5 結(jié)束語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)的以STC89C52單片機(jī)為控制中心的室內(nèi)空氣智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在軟硬件的結(jié)合下，可以達(dá)到所要求的性能指標(biāo)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。測(cè)試表明，傳感器部分具有較高的靈敏度，可以成功檢測(cè)到低濃度的氣體。對(duì)于電機(jī)的類型，依不同需求而定，監(jiān)測(cè)的氣體也可以通過(guò)跟換傳感器而增減，短信模塊可以作為家用電話使用，因而此系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值。

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