基于單片機的室內環境監測與凈化系統

汪琪　楊洪濤

【摘 要】為滿足對室內空氣質量的實時監控，保護人體健康，設計了一種基于單片機的室內環境監測與凈化系統。本文以STM32單片機作為核心處理器，利用DHT11溫濕度傳感器、MQ空氣質量傳感器及負離子凈化器設計了其硬件電路，編制了相應監控軟件和手機APP，利用WIFI無線通信技術，實現系統的現場和遠程監控與報警。同時通過APP遠程控制負離子凈化設備，實現對室內環境進行凈化，實驗結果表明，本文設計的室內環境監測與凈化系統性能良好，可精確檢測室內環境參數，有效凈化室內環境，還具有低成本、高性能、使用方便的特點，具有較好的應用前景。

【關鍵詞】STM32單片機;室內環境;無線通信;遠程監控;凈化系統

中圖分類號： TP216 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）20-0018-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.20.007

1 背景介紹

室內空氣質量問題一直關系著人們的身心健康，近年來，有不少學者對環境監測系統進行研究，如文獻1設計了一種室內環境智能監控系統，利用溫濕度傳感器、PM2.5傳感器對室內環境進行采樣，并反饋給用戶。文獻2設計了一種基于物聯網的室內環境智能監控系統，能夠自動采集室內環境數據并進行分析，通過控制空調來實時調整室內環境溫度。文獻3設計了一種室內環境報警系統，具有對溫度、煙霧、可燃氣體的監測和數據上傳功能，并且具有自動報警功能，也可通過手機進行查詢。但以上研究成果大都是僅對溫濕度、可燃氣體濃度、PM2.5值進行監測，沒有實現對環境質量進行改善的，因此本文研究設計了一種基于STM32單片機的室內環境監測與凈化系統，采用了傳感器列陣結構管理多個不同類型的傳感器，利用APP遠程監控和WI-FI技術，實現室內環境全面智能化監測和報警，同時采用負離子空氣凈化設備對空氣進行凈化、除塵、滅菌，改善室內環境質量。

2 系統工作原理

本文設計的環境監測與凈化系統主要由環境監測模塊（溫濕度檢測、室內氣體污染物濃度檢測）、單片機控制模塊、顯示模塊、空氣凈化功能模塊、WIFI遠程監控模塊、報警模塊組成。環境監測模塊中利用相應傳感器對當前室內的溫濕度、CO等多種氣體濃度等環境參數進行采集，數據經單片機處理后在顯示模塊中進行顯示，并通過WIFI模塊傳送到用戶手機APP中，再從APP中讀取控制指令發送回單片機，對凈化模塊進行控制，實現室內環境的凈化。同時在APP中可以設定溫度、濕度及各種氣體濃度的上下限，當檢測到的數據值超出界限時，可啟動報警蜂鳴器及發送警報信號給APP實現智能報警。

3 系統硬件設計

3.1 環境監測模塊

環境監測模塊硬件電路原理圖如圖2所示，其中利用DHT11數字溫濕度傳感器實時采集溫濕度數據。該傳感器可實現數字信號輸出，其單線制串行接口引腳接單片機的PA5引腳，能夠有效、可靠的采集溫濕度數據，測溫范圍為0-50℃，測量精度為±2℃，測量濕度范圍為20%-90%RH，測量精度為±5%RH。MQ-9氣體傳感器可檢測一氧化碳、甲烷多種可燃性氣體，對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，具有雙路信號輸出。將傳感器模擬量輸出通道接入單片機ADC采集接口PA7，將模擬量轉變成數字量后，再通過公式換算得出濃度值，可檢測一氧化碳濃度范圍為10-1000ppm。同時利用GP2Y1010AU0F粉塵傳感器檢測PM2.5值，其模擬量輸出通道接入單片機ADC采集接口PA6，此傳感器的輸出電壓范圍為0.9V-3.6V，通過單片機自帶ADC采集通道將模擬量轉換成數字量后，通過相關公式轉換成PM2.5值。當傳感器最大電壓值為3.6V時，此時測量得到的PM2.5值為510ug/m3，因此檢測范圍為：0-510ug/m3。

3.2 WIFI模塊

WIFI模塊硬件電路原理圖如圖3所示，該模塊使用ESP8266串口，TXD引腳接入單片機的PA0-WKUP引腳，RXD引腳接入單片機的PA1引腳，主要用于實現APP的遠程控制功能。

3.3 凈化模塊

該模塊使用負離子空氣凈化裝置，如圖4（a）所示，通過雙電極片之間的電弧將空氣中的污染物顆粒擊穿并吸附在電極片上，實現空氣的凈化，其額定工作電壓為220V，額定頻率為50～60HZ，額定工作電流≤10mA，額定工作電壓≤1W，負離子濃度為5.5*106pcs/cm3。凈化模塊的控制電路原理圖如圖4（b）所示，由于負離子空氣凈化裝置的額定工作電壓為DC12V，單片機無法直接通過IO口對其進行驅動，因此需要額外的電壓隔離或繼電器對凈化裝置進行驅動，本設計采用繼電器驅動電路實現驅動電壓的轉換，將單片機IO口輸出的5V電壓轉換成凈化裝置所需要的12V控制電壓，以保證設備的正常運行。單片機引腳輸出高點平時，光耦導通，則繼電器線圈得電，產生磁性，將觸點吸合以驅動凈化裝置，實現單片機控制凈化器裝置的工作運行。

4 系統軟件設計

本文設計的監控系統軟件主要由初始化模塊、WIFI模塊、環境參數采集模塊、AD轉換及數據處理模塊、負離子空氣凈化模塊組成。

在上電后對各個模塊進行初始化，對GPIO接口進行分配。首先進行WIFI配置，配置成功后，由監測模塊中的各個傳感器對環境參數進行采集，由于系統需要多個傳感器同時工作，在單片機系統的軟件設計中引進多任務機制，借用單片機的內部定時器中斷服務程序作為調度主程序，以產生精確的單位時間片，在定時器中斷服務程序中設置一個軟件計數器，由計數器的現行值作為各個模塊是否執行的依據。AD轉換及數據處理模塊主要將傳感器輸出的模擬量轉換成數字量，并進行存儲，經處理器處理后傳輸至顯示模塊進行顯示。WIFI模塊負責單片機與手機APP之間的通信，用來收發數據。負離子空氣凈化模塊程序通過對比數據進行判斷，當采集數據值超出設定范圍時，由APP發送控制指令，通過WIFI模塊給單片機，單片機進而控制繼電器來啟動負離子空氣凈化裝置實現凈化功能。

軟件設計主程序流程圖如圖5所示，該程序采用模塊化編程的方法，對各個功能模塊分別編寫獨立的函數，并對應不同的標志位，主程序通過判斷各個模塊對應的標志位執行相應的函數，來實現對各個模塊的控制。

5 實驗結果

按照上述設計方案，將STM32單片機、DHT11傳感器、MQ空氣質量傳感器以及液晶顯示器等硬件連接制成實驗板，把所編寫的程序燒錄進單片機內，上電后實際使用所得檢測結果如圖6所示，空氣濕度為81%RH，溫度為25℃，PM2.5值為25ug/m3，與傳統空氣質量監測裝置所測得數值相比較，空氣濕度相差2%，溫度相差1℃，PM2.5值相差為2ug/m3，可以精確檢測室內環境參數。

6 總結

本文設計了一種基于單片機的室內環境監測與凈化系統，可以實現對室內溫濕度、一氧化碳濃度及PM2.5值等相關空氣指標進行穩定可靠、精確的監測，讓用戶實時了解室內空氣質量，并具有空氣凈化功能，用戶可通過手機APP遠程監控，能夠較好地適用于日常室內環境的監測。

圖6 實物應用圖

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