基于STM32及Wi-Fi模塊的室內空氣質量監測系統

文/劉玉媛 何經偉

近年來，在第四次工業革命的背景下，人類生產力在良性耦合協同機制下，我國工業化、城鎮化進程不斷推進，隨之帶來前所未有環境問題。室內外控制質量的降低，PM2.5、甲醛等有害物質的升高，使現代人不得不對空氣質量監控技術加以重視。

1 室內空氣質量監測系統的結構框架

系統主要包括ARM 微處理器、Wi-Fi 信號傳輸模塊、采樣模塊以及TFT 液晶彩色顯示模塊。系統采用意法半導體公司STM32 為基本信息處理器，STM32 系列最大化工作頻數高達72M 赫茲，可實現較高速度的智能計算。ARM（Advanced RISC Machines）微控制器是全系統的核心部位，對系統整體運作流程形成中央控制作用。采樣模塊通過接受STM32 微處理器發出的信號，進行相關數據收集，并通過反饋給處理器進行深度處理。進而實現：

（1）TFT 彩色液晶顯示器的顯示功能。

（2）由Wi-Fi 網絡將信息傳送至客戶計算機終端軟件。

（3）系統根據預先設置完畢的程序，進行規格統一的全自動警示。

2 室內空氣質量監測系統設計

采樣收集模塊匯聚灰塵傳感系統、溫度傳感系統與甲醛傳感系統于一體，由不同傳感系統收集的信息收集工作，將其轉化為具體電信號傳送至STM32。系統利用AM 高端復合型傳感系統，與高性能八位單片機緊密連接。由此可見，AM 復合型傳感系統具備快速相應、穩定性、可操作性、可靠性極強的抗干擾優勢。小型甲醛傳感系統具有較高的擇優性和穩定性，可進行準確的溫度差值補償。激光傳感系統作為檢測工作基本原件利用電元件再次將光源信息轉變為電子信息。綜上所述，該傳感系統反饋時間短、覆及面廣、計算效率高，且受溫度、濕度等外部環境因素影響較低，多重

2.1 數據采樣收集模塊

表1：實測值和系統檢測值對比表格

傳感系統所收集的數據可通過STM32 發送至中央控制區域。

2.2 中央控制模塊

中央控制模塊是整個室內空氣質量監測系統的核心部位，內置Wi-Fi 模塊、無限模塊、TFT 彩色液晶顯示模塊以及報警器。由無限模塊收取來自數據采樣收集模塊發出的信息，利用STM32 對數據進行分析、處理。

（1）STM32 將溫度、濕度數據進行有效合并，獲得準確溫度、濕度信息。

（2）甲醛傳感系統與PM2.5 傳感系統的傳送數據具有標準格式，通過分析與對比提取有效信息。

一方面，根據人體正常體溫數值，當室內環境溫度為28 攝氏度時，人體熱度得以平衡，且為最舒適溫度。另一方面，根據人體濕度適應值，參照《國際空氣環境質量指標》、《國際室內甲醛衛生標準》，若系統檢測出空氣中PM2.5 顆粒物和甲醛超標，則會通過顯示器、報警器以及移動終端軟件消息推送的方式，將問題告知于使用者。

2.3 數據信息傳輸模塊

本室內空氣質量監測系統選用高速、低耗、低成本的2.4G 赫茲無線收發芯片。此芯片匯集雙向通信鏈路層，需要較大的RAM，系統融合了ESP 的Wi-Fi MCU 控制模塊和Wi-Fi 通信芯片具有體積小、信號穩等優勢。系統在收集、分析、處理數據的過程中，通過Wi-Fi 將數據送達外網服務器，移動終端設備或PC 端設備通過外網服務器接受相關信息，進而完成遠程室內空氣監控。

2.4 TFT現場顯示模塊

TFT 彩色液晶屏幕是室內空氣質量監測系統重要顯示設備，具備高亮度、高清晰、高速度等優勢，通過STM32 的可用引腳，基本可以實現IO 資源的有效運用，并確保速度較高的刷新頻率。系統中TFT 屏幕作為系統唯一的顯示部位，通過共行信號線顯示數據、傳送數據。此外，在用戶對系統進行待機設置后，TFT 顯示模塊可自動展開待機功能。

2.5 無限終端信息顯示

TFT 液晶顯示器受空間制約嚴重，用戶只有在室內才可對室內環境進行檢測。為提高用戶對系統使用便捷度，構建無線終端信息顯示功能。系統檢測數據信息，通過Wi-Fi 無線網絡傳送至用戶移動終端或PC 終端。同時，中央控制模塊中Wi-Fi 利用服務器將數據信息傳送到具體地點，進而完成對室內環境的遠程監管。

3 室內空氣質量監測系統檢驗分析

以某大學校園為實驗場地，用溫度計成品和該室內控制質量檢測系統在校內差異地點展開同時間測量，得出數據如表1所示。分析數次數據，相同時間、不同室內環境溫度和濕度存在差異，但相同時間、相同環境溫度計測量結果與系統測量結果相近。小于等于2.5 微米的顆粒物相對室內較為穩定，活動場地由于人員過多導致數值略微上升。同時，男生宿舍靠近學校新寢室施工基地和操場，PM2.5 數值同時間段內遠高于其他地點。在2019年1月裝修完成的藝術樓內甲醛含量相對其他地點較高，但仍處于國家標準范圍內。

4 結語

綜上所述，基于STM32 及Wi-Fi 模塊的室內空氣質量監測系統可行性較高。通過對某學校校園多處室內環境空氣溫度、甲醛含量、2.5 微米的顆粒物的實時具體測量結果分析得出，此室內空氣質量監測系統數據監測具有準確性高、穩定性可靠、速度傳感快等特點，具有較高推廣價值。