基于GSM的室內空氣質量監測系統設計

倪淋一 楊 旻 孫升琦 朱 恒

（東南大學成賢學院電子工程系，江蘇南京210088）

基于GSM的室內空氣質量監測系統設計

倪淋一 楊 旻 孫升琦 朱 恒

（東南大學成賢學院電子工程系，江蘇南京210088）

以STC12C5A60S2為主控芯片，SIM900A為GSM通訊芯片，設計一種基于PM2.5傳感器與易燃氣體傳感器的空氣質量自動檢測與換氣并帶有遠程火災報警的智能家居系統。重點介紹了STC12C5A60S2的芯片特性及其在控制模塊中的應用，并簡單描述了SIM900A芯片的特點及與之配套的硬件電路；在軟件部分，介紹了系統代碼的結構，詳細闡明了程序多模塊協同運作的設計方案。

GSM；STC12C5A60S2；智能家居；PM2.5

0 引言

隨著科技的發展和人們生活水平的提高，人們對居住環境方便快捷的要求越來越高，智能家居系統應運而生。智能家居是現代電子技術、通訊技術及自動化技術相結合的產物，它能夠實現對家電設備的自動控制和管理、對家庭的安全進行監測報警，能夠為用戶提供安全舒適、高效便利的生活環境［1］。本文結合PM2.5傳感器與MQ－2傳感器，利用STC12C5A60S2豐富的硬件資源，配合SIM900A的GSM通信，設計了一套智能家居系統，該系統結構簡單、功能完善并且具有較高的性價比。

1 PM2.5測量技術簡介

目前市面上非專業的PM2.5傳感器大多采用粒子計數原理。如圖1所示，模塊內設置加熱器，加熱使得氣流上升，外部空氣進入模塊內部，如有粉塵等粒子通過時，阻斷LED光源，光電檢測器檢測不到光源，光電檢測器則低電位輸出；如無粒子通過，則光電檢測器高電位輸出，形成PMW脈沖寬度調制信號，信號經過放大輸出。因此只要計算到一定時間內低脈沖的比率，參照傳感器的特性曲線，即可得到檢測到的粒子數，進而計算出PM2.5的參數。

圖1 PM2.5傳感器原理示意圖

對于一般的PM2.5傳感器，內部配有DA芯片可以直接將PM2.5的值作為模擬量輸出到一個端口上，因此只需對其端口進行AD采樣即可。但是，該采樣的方法精度不高，響應速度緩慢，因此如果要提高測量精度的話，仍然需要串口通信的方式。以夏普公司生產的GP2Y1010AU0F為例，串口的配置要求為：

（1）波特率：2 400bit／s。

（2）每10ms發送1個字節，共7個字節，包含1位校驗位：

（3）數據發送格式如表1所示。

表1 串口數據發送格式

（4）數據處理。接收到的數據按公式計算后得到Vo的值：

得到Vo的數值后，乘以系數K即可得到灰塵濃度值：

2 STC12C5A60S2芯片介紹

STC12C5A60S2／AD／PWM系列單片機是宏晶科技生產的單時鐘／機器周期（1T）的單片機，是高速／低功耗／超抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8～12倍。內部集成MAX810專用復位電路，兩路PWM，8路高速10位A／D轉換（250k／s），適用于電機控制、抗干擾場合。STC12C5A60S2有40個引腳，32個外部雙向輸入／輸出（I／O）端口，同時內含兩個外中斷口，3個16位可編程定時／計數器，兩個全雙工串行通信口，兩個讀寫口，STC12C5A60S2可以按照常規方法進行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器的Flash存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫的Flash存儲器可有效降低開發成本。

下面簡單介紹一下單片機STC12C5A60S2的一些特性以及本文所用到的接口：STC12C5A60S2為40腳雙列直插封裝的通用微處理器，采用工業標準的C51內核，其主要用于會聚調整時的功能控制。主要管腳有：XTAL1（19腳）和XTAL2（18腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz晶振。RST／Vpd（9腳）為復位輸入端口，外接電阻電容組成的復位電路。VCC（40腳）和VSS（20腳）為供電端口，分別接＋5V電源的正負端。P0～P3為可編程通用I／O腳，其功能用途由軟件定義，在本設計中，P1端口（P1.0～P1.7）被定義為進行AD轉換與串口2功能，P2端口用作矩陣按鍵接口，P0端口用作液晶屏幕接口，如圖2所示。

3 系統硬件詳解

本項目硬件部分由電源供電模塊，PM2.5傳感器，易燃氣體傳感器，矩陣鍵盤，LCD1602，GSM通信模塊構成，系統的成功運行需要保證硬件的設計合理。

（1）電源供電模塊：由于STC12C5A60S2與SIM900A所要的供電電壓不同，且對于智能家居系統而言，必須采用220V市電，所以說這一模塊主要完成降壓的功能，以適應所需不同電壓的器件。但需注意的是，由于SIM900A會偶爾在傳輸數據時發生尖峰電流的現象，從而導致電壓的跌落，進而對整個系統造成影響，因此在本項目中需采用輸出電流大于2A的電源供應，在這里采用TI公司的LM2596電源管理芯片，該芯片最大電流可達3A。

圖2 接線示意圖

（2）采集模塊：由GP2Y1010AU0F與MQ－2構成，主要完成的是對空氣質量與可能包含的易燃氣體的采集。此外，為了提高該模塊的靈敏度，在傳感器附近設置了小風扇增加了進氣量。此處的接線為：GP2Y1010AU0F接STC12C5A60S2的串口1，MQ－2接STC12C5A60S2任一A／D轉換口。

（3）人機交互模塊：由矩陣鍵盤以及液晶屏LCD1602構成，液晶屏可以實時顯示系統的工作狀態以及當前的空氣中PM2.5濃度，矩陣鍵盤可以對系統進行參數設置。

（4）GSM模塊：LM2596的輸出調到9V作為GSM模塊的供電。對GSM模塊的操作只需通過串口對其發送AT指令即可，所以這里將單片機的串口2接到GSM的RXD上去，便可實現對SIM900A的控制。

（5）換氣模塊：因為排風扇是由220V的電機驅動的，所以在這里采用了由繼電器與光耦構成的控制模塊。其中，光耦作用是隔離高壓與低壓的器件。

4 系統軟件設計

軟件部分的設計遵循由上到下的設計順序，首先確定整體系統的架構，將程序分為幾個大模塊，依次為：采集模塊，用戶交互模塊和GSM通信模塊。然后，再對各個模塊進行細分，如圖3所示。

圖3 程序結構圖

采集模塊對應于PM2.5傳感器模塊與MQ－2傳感器模塊，用戶交互模塊對應于矩陣鍵盤模塊與液晶屏幕顯示模塊，GSM通信模塊對應于AT指令發送模塊。最后，細化到具體的硬件中，也就是單片機的硬件資源。

5 結語

本系統主要有以下性能特點：結構簡單，各個模塊分割合理，易于制作與生產；成本低廉，與價格昂貴的PM2.5監測站儀器相比，該系統的價格更加親民；功能多樣化，不但具有PM2.5檢測的作用，還可監測易燃氣體，是真正的空氣質量儀器；可實現遠程通信，這體現了智能家居的特色。隨著經濟的發展，人們對物質文化需求日益增長，智能家居系統必將受到人們的青睞，相信這種功能強大的空氣質量監測系統會有廣闊的應用和發展前景。

［1］周洪，胡文山，張立明，等.智能家居控制系統［M］.北京：中國電力出版社，2006.

2015－04－15

倪淋一（1993—），男，江蘇東臺人，研究方向：嵌入式系統開發。