一種小型室內環境智能監測儀器的設計

摘 要： 基于人們對室內空氣質量監測的需求，設計一種以STM32F103C8T6微控制器作為核心控制器的一套室內環境智能檢測系統，它能夠實時、準確并有效地監測當前室內的溫度、濕度以及空氣中的懸浮顆粒（PM10）和有毒有害氣體等，并通過藍牙把當前室內的環境情況傳送到電腦端顯示出來，及時向人們警示，避免對人體健康產生危害。該系統具有體積小、方便可靠以及操作簡單等特點，可廣泛應用在室內環境檢測領域。

關鍵詞： 室內環境； 懸浮顆粒； 智能監測； 藍牙

中圖分類號： TN722?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）10?0073?03

Design of an intelligent monitoring instrument for small indoor environment

HE Weigang， LI Zhenglin， ZHANG Fan

（School of Electrical and Information Engineering， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545006， China）

Abstract： Based on the demand of indoor air quality monitoring， a set indoor environment intelligent detection system taking STM32F103C8T6 as its core controller was designed. It can accurately and effectively monitor the current indoor temperature and humidity， and suspended particle （PM10） and harmful gas in the air in real time， transfer the current indoor environment situation to the computer through Bluetooth for display， and then warn people timely to avoid the harm of human health. This system has the characteristics of small size， convenience， reliability and easy operation， and can be widely used in the field of indoor environment detection.

Keywords： indoor environment； suspended particle； intelligent monitoring； Bluetooth

多年來，由于工業化進程的加速，人們過度砍伐樹木，開采煤礦等資源，同時隨意排放廢水廢氣，將經濟的快速發展建立在破壞自然環境的基礎上，缺乏對自然環境的保護[1]。因此，在經濟發展的同時，自然環境也受到了嚴重的污染和破壞，環境問題日益凸顯，例如最近幾年，北京、上海、天津、南京等各大工業城市都相繼出現了沙塵暴、霧霾、光霧等災害，嚴重地威脅著人們的身心健康。大量的研究表明，如果人們長期生活在空氣受到污染的室內，吸入含有多種有害物質的污染空氣，將會引起如咽喉腫痛、呼吸道感染、皮膚過敏、哮喘咳嗽等多種疾病。在我國，每年因居住在空氣受到污染的室內而引起疾病或者死亡的案例并不少見[2?4]，例如，因空氣中懸浮顆粒（PM10）含量過高而導致人們的呼吸道受到刺激、感染，從而導致人們患上多種呼吸道疾病；人們在使用煤炭、天然氣、液化石油氣等進行烹飪或取暖時，因通風不足或者操作不當引起的煤氣中毒等。除此之外，因空氣過于潮濕或干燥引起濕氣、鼻腔黏膜受損等案例也不在少數。綜合以上所述，有必要設計一種能夠對空氣中的溫濕度、懸浮顆粒、甲醛、苯系物、煤氣、液化天然氣等進行實時監測，當空氣中的污染物超標的時候，能夠向人們提出警示，為人們創建一個健康、安全、舒適的生活環境的環境監測系統。本系統采用了基于ARM Cortex?M3 內核的32位微控制器 STM32F103C8T6作為核心，外圍搭配了夏普公司的懸浮顆粒傳感器GP2Y1010AU0F，高性能數字式溫濕度復合傳感器DTH11，以及煒盛電子公司的甲醛傳感器MQ138，煙霧傳感器MQ135，可燃氣體傳感器MQ2。同時，系統可通過藍牙無線通信技術將當前的室內環境數據發送到電腦端的上位機軟件上進行實時監測，當有異常情況時可記錄該異常并告警。本系統具有體積小、方便可靠以及操作簡單等特點，可廣泛應用在室內環境檢測領域。

1 系統設計

1.1 系統整體框架設計

本系統可分為上位機和下位機兩部分，系統的總體框架如圖1所示。其中上位機主要負責環境信息的顯示和監控，下位機負責采集當前環境數據并傳送到上位機。系統總體的工作流程是：下位機通過傳感器采集周圍的環境信息，然后對數據進行封包處理并通過藍牙無線通信技術將數據包傳輸到上位機里，上位機對數據包進行解包和校驗后，將環境信息顯示在電腦上，如果有異常情況則發出報警并記錄。

1.2 硬件整體設計

下位機硬件可分為控制部分、環境采集部分以及無線數據傳輸三大部分。下位機硬件的整體框架如圖 2所示。環境采集部分可分為溫濕度采集部分、懸浮顆粒采集部分、甲醛，苯系物采集部分、可燃氣體采集部分以及煙霧、有害氣體采集部分，環境采集部分主要是對周圍環境進行采集，得到周圍環境的數據信息。控制部分采用了STM32F103C8T6微控制器作為控制部分的核心，負責處理系統的各項任務，如傳感器數據讀取，數據的封包處理等。無線數據傳輸部分主要負責將系統采集到的環境數據傳輸到電腦端，電腦端接收到數據后通過上位機軟件顯示在界面上。

室內環境智能監測系統采用了意法半導體（ST）公司生產的32位微控制器STM32F103C8T6作為系統的核心，該微控制器基于ARM Cortex?M3。室內環境智能監測系統采用了來自夏普公司生產的GP2Y1010AU0F粉塵傳感器模組，用來監測空氣中的懸浮顆粒含量。

GP2Y1010AU0F粉塵傳感器模組是一款成本低、體積小、功耗低，并且能夠區分出粉塵和煙霧的傳感器模組，由于GP2Y1010AU0F具有優異的粉塵檢測性能，因此被廣泛的運用在空氣清潔器、空氣過濾器以及空氣質量檢測儀等設備上。DHT11溫度、濕度復合式傳感器主要是由電阻式感濕元件、NTC熱敏電阻元件以及一個高性能的8位微控制器構成。其中電阻式感濕元件用于環境濕度的采集，NTC熱敏電阻用于環境溫度的采集，室內環境智能監測系統采用了煒勝科技公司生產的MQ135，MQ2，MQ138半導體氣敏元件，其中MQ135對氨氣、硫化物、苯系物質以及煙霧等氣體比較敏感；MQ2則對液化氣、丙烷、氫氣等可燃氣體比較敏感；MQ138對甲醛、乙醇、丙酮等比較敏感。特定的半導體氣敏傳感器在一定的濃度范圍內檢測特定的氣體。MQ系列半導體氣敏傳感器驅動電路簡單、壽命長、成本低，被廣泛應用在空氣質量監測、空氣污染報警、空氣過濾器等場合。MQ135，MQ2，MQ138半導體氣敏傳感器是一種使用含有二氧化錫物質做氣敏材料的傳感器，當二氧化錫處于潔凈的空氣中時，其導電率比較低，而當二氧化錫處于受污染的空氣中時，其導電率與污染物的濃度成正比，如果在電路中串接一個電阻即可將導電率的變化轉化成模擬電壓的變化，再通過微控制器的ADC采樣和換算，即可計算出空氣污染物的氣體濃度大小。藍牙是一種低功耗、低成本、近距離的2.4 GHz無線通信技術，由于它工作在2.4 GHz的ISM（工業、科學、醫學）頻段，因此無需向無線電部門申請許可就可使用。藍牙不僅可用于傳輸語音和數據，還可以用于組網通信，而且抗干擾能力強、功耗低、體積小巧，使得藍牙技術被廣泛的應用在各種領域[5?7]。在本系統中，下位機和上位機之間的通信就是用了藍牙無線技術：下位機通過串行口將數據包發送給藍牙無線通信模塊，然后藍牙無線通信模塊會將數據包通過藍牙技術發送到上位機的藍牙接收模塊，并將其解包，提取出環境數據后將其顯示在界面上。

本系統使用的藍牙模塊型號為HC?04，該模塊支持主從一體模式，供電電壓為3.3 V，數據通信接口為USART串行口[8?9]。當藍牙模塊從串行口接收到數據時，會自動將數據通過藍牙無線傳輸到另一個配對的藍牙模塊，而另一個藍牙模塊接收到數據后，又將數據通過串行口發送給應用設備，從而實現數據的透傳

2 軟件整體設計

上位機是運行在電腦端的監控軟件，負責將下位機傳送過來的環境信息進行顯示并監控，當某一數據超標時能夠報警并及時記錄該事件。上位機由C#語言編寫，使用Visual Stdio 2013軟件作為開發環境[10?11]。上位機采用模塊化設計的思路，將軟件分成了數據傳輸、數據處理和人機交互三大部分，數據傳輸模塊主要負責從系統端口中接收來自下位機的數據包，而數據處理部分則負責對數據包進行處理和校驗，人機交互部分則負責將環境數據呈現在軟件界面上，并對數據進行監控，如果有數據異常，則記錄該異常事件。上位機整體軟件流程圖如圖3所示。

在本系統中，當打開上位機軟件時，首先對Serial Port類進行初始化，調用PortName方法來獲取當前電腦上所有可用的串行口，并將當前可用的串行口映射到軟件界面的下拉菜單。當用戶點擊連接室內環境檢測系統時，設置串口的波特率為115 200 b/s、無校驗位、一個停止位，然后打開選中的端口，并進行監聽。當有數據傳來時，觸發數據接收事件，接收完數據后，將數據傳送給數據處理函數進行處理。程序流程如圖4所示。

當接收到下位機發送過來的數據包后，需要對其進行解包處理，如圖5所示。由于通過Serial Port的Read類讀取串口得到的是所有存在串口緩存中的數據，這些數據可能包含了下位機傳過來的多個數據包，為了能夠準確地找到一個完整的數據包，需要對讀取回來的數據進行一定的處理。

3 系統測試

通過上位機軟件對室內的環境進行監測，并分別用甲烷、液化石油氣、煙霧等污染源放置在本室內環境智能監測系統附近，根據不同的測試情況，系統也會有不同的反應，由實驗結果可知，本室內環境智能監測系統能夠十分迅速地檢測出污染物，并同時在軟件界面上記錄污染物超標內容并向人們警告。下位機調試圖如圖6所示。

4 結 語

本文設計開發了一種能夠對室內環境中的溫度、濕度、PM10、甲醛以及液化石油氣等有害物質進行實時監測的智能系統，如果所測項目超標，則及時記錄并警報。由于本系統采用了性價比高、功能強勁、低功耗的32位微控制器 STM32F103C8T6，同時外圍搭配了多種傳感器，使用了2.4 GHz藍牙無線數據傳輸技術并結合上位機，可對室內環境進行準確有效地監測并監控，同時人性化的人機界面可以讓人們方便快捷地了解到當前室內的環境信息。對保護人們的身心健康，改善人們的居住環境提供了有力的參考信息，并對研究室內污染物的來源有一定的參考價值。

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