智能家居空氣質(zhì)量測試系統(tǒng)的設(shè)計

文/樊龍輝 劉瑞濤 王樹慶

1 引言

在智能家居系統(tǒng)中，除了中央控制單元外，一般包含多個智能設(shè)備，像空調(diào)、空氣凈化器、加濕器、消防和廚房家電等，但是室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的判定，需要有測試空氣質(zhì)量的設(shè)備以測試的數(shù)據(jù)作為判斷依據(jù)，本文講述是基于STM32控制器的室內(nèi)空氣的測試系統(tǒng)的設(shè)計。包括VOC有害氣體濃度、灰塵濃度、溫度和濕度等測量方法的硬件設(shè)計。

2 總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)設(shè)計要求

根據(jù)智能家居的需求，室內(nèi)空氣質(zhì)量的分析應(yīng)該包括日常的溫度和濕度測量，危害人體較為嚴(yán)重的甲醛、一氧化碳、烷類、苯類等有害氣體的測量，還包括室內(nèi)和PM2.5粉塵濃度等測量項目，通過這些測量項目可以充分了解家居環(huán)境的空氣質(zhì)量，也可為家庭中消滅初期火災(zāi)、天然氣泄漏等提供重要的數(shù)據(jù)參考和依據(jù)。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計思路

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，本文主要解決系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計。包括采集數(shù)據(jù)的灰塵傳感器、VOC有害氣體傳感器、溫濕度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換電路、控制和數(shù)據(jù)處理、接口電路、顯示和鍵盤電路等等。對于傳感器的選擇，目前市場上品類很多，以高性價比為主；控制和數(shù)據(jù)處理采用控制器STM32F103R8T6，該芯片內(nèi)包含12位A/D轉(zhuǎn)換器、時間模塊、多個定時器和中斷等豐富的必用資源，性價比較高。

3 傳感器模組

3.1 灰塵傳感器

采用夏普光學(xué)灰塵濃度傳感器(GP2Y1014QU0F)，此傳感器內(nèi)部成對角分布的紅外發(fā)光管和光電晶體管，利用光敏原理來工作。能測量PM2.5灰塵濃度和其他大顆粒粉塵。依靠輸出的脈沖高度來判斷顆粒濃度。

灰塵傳感器工作原理如圖1所示，電阻R31為限流電阻，三極管Q11采用C1815增加對傳感器3腳的驅(qū)動能力，供電電壓通過電阻R30為內(nèi)部發(fā)光管提供電壓，電解電容C6存儲電能使1腳電壓保持穩(wěn)定，傳感器5腳輸出和灰塵濃度成正比的脈沖電壓，電阻R31和R32為分壓電阻，保持合適電壓范圍提供給STM32控制器的A/D輸入端。

3.2 溫濕度傳感器

采用DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器，它是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個 NTC 測溫元件，并與一個高性能 8 位單片機(jī)相連接。每個 DHT11 傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲存在 OTP 內(nèi)存中。在20℃附近誤差0.5℃，濕度誤差±3%RH。

工作原理如圖2所示，此傳感器采用+3.3V供電，使其輸出數(shù)據(jù)電平兼容STM32芯片的數(shù)據(jù)電平，2腳為數(shù)據(jù)輸出引腳，連接至主控制器I/O端口，電阻R1為上拉電阻，在空閑狀態(tài)時使數(shù)據(jù)端保持高電平。3腳為空，4腳接地。

3.3 VCO有害氣體傳感器

采用KQ-2801氣味傳感器來實現(xiàn)的，本傳感器是一款廣譜氣體傳感器，對許多微量的還原氣體(或微毒性氣體分子)非常靈敏，這些氣體分子類型包括氨氣、氫氣、酒精、一氧化碳、甲烷、甲醛、丙烷、甘烷、苯乙烯、丙二醇、酚、甲苯、乙苯、二甲苯等有機(jī)揮發(fā)氣體、木材、紙張燃燒煙霧等。

氣體傳感器工作原理如圖3所示，傳感器的1腳為5V內(nèi)部加熱端，2腳為地，3腳為傳感器供電端，4腳為傳感器模擬電壓輸出端，電阻R38和電位器RP1為負(fù)載電阻，調(diào)整電位器RP1的電阻可以校準(zhǔn)氣體傳感器的輸出準(zhǔn)確度，電阻R39和R40為分壓電阻，保持合適電壓范圍提供給STM32控制器的A/D輸入端。

4 系統(tǒng)設(shè)計

圖4為室內(nèi)空氣質(zhì)量測試系統(tǒng)整機(jī)方框圖。控制器STM32F103R8T6為設(shè)備的控制核心，通過灰塵傳感器、VOC有害氣體傳感器和溫濕度傳感器等采集模擬或者數(shù)字信號傳送至主控制器，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換或者數(shù)據(jù)接收等提供空氣質(zhì)量的原始數(shù)據(jù)，然后控制器對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和校準(zhǔn)；控制器控制不同顏色的LED和蜂鳴器作為報警電路，當(dāng)空氣質(zhì)量變化時，通過LED的不同發(fā)光色彩來提醒，當(dāng)空氣中VOC有害氣體和灰塵濃度都變化較大時，作為災(zāi)情啟動蜂鳴器報警；控制器通過串口把數(shù)據(jù)輸出至顯示鍵盤模塊，LED數(shù)碼管顯示當(dāng)前空氣的灰塵濃度、VOC有害氣體濃度和溫濕度等，作為日常觀測用；控制器通過USB口與外部系統(tǒng)相連，及時把測試數(shù)據(jù)傳送至其他系統(tǒng)，作為室內(nèi)空氣質(zhì)量改善或者初期災(zāi)情判斷的依據(jù)。

圖1：灰塵傳感器工作原理圖

本系統(tǒng)中灰塵濃度的采集是實現(xiàn)的難點，工作時序如圖5，首先需要控制器通過定時器產(chǎn)生周期10ms、脈寬為0.32ms的脈沖信號，一路脈沖信號返回到控制器的外部中斷引腳，觸發(fā)控制器產(chǎn)生0.28ms定時；另一路輸入至灰塵傳感器、使傳感器內(nèi)部的紅外發(fā)光管點亮。灰塵傳感器檢測電路對周圍環(huán)境中的PM2.5的濃度值數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，輸出幅度和灰塵濃度成正比的脈沖式電壓信號，控制器在外部中斷觸發(fā)0.28ms后立即啟動A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行信號采集，將輸出電壓峰值及時轉(zhuǎn)為數(shù)字量，并將數(shù)據(jù)傳送給控制器數(shù)據(jù)處理中心，由微控制器對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

溫濕度傳感器采用單線制串行接口與控制器端口相連，信號傳輸距離可達(dá) 20 米以上。一次通訊時間4ms左右,一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40bit,高位先出，通訊過程如圖6所示。

總線空閑狀態(tài)為高電平,控制器把總線拉低等待DHT11響應(yīng), 控制器把總線拉低必須大于18毫秒,保證DHT11能檢測到起始信號。DHT11接收到控制器的開始信號后,等待控制器開始信號結(jié)束,然后發(fā)送80us低電平響應(yīng)信號.控制器發(fā)送開始信號結(jié)束后,延時等待20～40us后, 讀取DHT11的響應(yīng)信號, 控制器發(fā)送開始信號后,可以切換到輸入模式,或者輸出高電平均可,總線由上拉電阻拉高。總線為低電平,說明DHT11發(fā)送響應(yīng)信號,DHT11發(fā)送響應(yīng)信號后,再把總線拉高80us,準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù),每一bit數(shù)據(jù)都以50us低電平時隙開始,高電平的長短定了數(shù)據(jù)位是0還是1，當(dāng)最后一bit數(shù)據(jù)傳送完畢后，DHT11拉低總線50us,隨后總線由上拉電阻拉高進(jìn)入空閑狀態(tài)，一組數(shù)據(jù)傳輸完畢。

圖3：VOC氣體傳感器工作原理圖

VOC有害氣體傳感器輸出信號為模擬電壓，連接到控制器的A/D模擬信號輸入端，輸出的模擬電壓與空氣中有害氣體濃度成正比，控制器啟動A/D轉(zhuǎn)換后，把模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，作為有害氣體的原始數(shù)據(jù)。

顯示鍵盤驅(qū)動采用集成電路TM1628，它是一種帶鍵盤掃描接口的LED驅(qū)動控制專用電路，最多支持7位LED數(shù)碼管，具有8級輝度調(diào)節(jié)，通過串行接口（CLK，STB，DIO）與控制器進(jìn)行通信。

5 結(jié)果分析

圖4：空氣質(zhì)量測試系統(tǒng)方框圖

圖5：灰塵傳感器工作時序圖

圖6：溫濕度傳感器單線串口工作時序圖

圖7：正反面實物圖

為了檢查系統(tǒng)的工作情況和測量結(jié)果，我們設(shè)計和制作本系統(tǒng)，圖7為制作實物圖，使用KEIL UV5編程環(huán)境編寫了測試程序，并進(jìn)行了調(diào)試和測量，灰塵濃度、VOC有害氣體濃度和溫濕度都能準(zhǔn)確的顯示出來，與預(yù)想的結(jié)果相一致。在試驗過程中，通過比對其他設(shè)備，溫濕度的顯示數(shù)值準(zhǔn)確一致；然后把點燃的香煙或者紙條產(chǎn)生的少量煙霧穿過灰塵傳感器的通風(fēng)口，灰塵濃度數(shù)值立刻向上增長，當(dāng)煙霧消失后數(shù)值恢復(fù)到原來數(shù)值附近；同樣我們把酒精等揮發(fā)性有害的氣體的瓶口打開，并少量噴灑地面后，VOC的顯示數(shù)值同樣顯著向上增長，實踐證實，本次設(shè)計的系統(tǒng)工作狀態(tài)良好，得到了直觀的空氣質(zhì)量測試效果。

6 總結(jié)

智能家居本身建設(shè)的目的就是為了給人們提供安全、舒適、便捷的生活環(huán)境，但是由于目前的智能化家居系統(tǒng)在多個方面顯現(xiàn)出許多不足之處，本文通過智能家居中空氣質(zhì)量的測試系統(tǒng)的設(shè)計，可以對智能家居的發(fā)展起到一定程度的完善。該方案運(yùn)用的多功能單片機(jī)控制技術(shù)、多類型傳感器和接口技術(shù)，充分融入到智能家居系統(tǒng)之中，使其組成更大的智能化系統(tǒng)平臺。