基于STM32的智能室內空氣質量監測系統設計

曹督尊 劉國彥 趙金才 甘敏 汪禹

摘 要

室內空氣質量監測系統是智能家居不可缺少的組成部分。為了實現實時監測室內空氣質量，本文介紹了一種基于STM32作為核心處理器的系統設計，該系統采用多種傳感器，能夠多點、實時采集室內溫度、濕度、粉塵密度、VOC（揮發性有機化合物）等有害氣體濃度等數據信息，通過Wi-Fi無線模塊，將室內空氣數據信息穩定地傳輸到電腦或者手機等客戶端。

關鍵詞

STM32;室內空氣數據信息;VOC有害氣體濃度

中圖分類號： TP274 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.16.010

Abstract

Indoor-air-quality monitoring system is one of the indispensable parts of smart home.In order to achieve real-time monitoring of indoor air quality， this article introduces a system design based on STM32.The system uses STM32 as the core processor with multiple sensors，which ?can collect real-time data information of indoor air quality in many different places.The data contains indoor temperature，humidity，dust density，concentration of VOC（Volatile Organic Compound） and other harmful gas.Through the Wi-Fi wireless module，the indoor air data information is stably transmitted to the computer or mobile phone and other clients.

Key Words

STM32;Indoor-air data information;VOC Concentration

0 引言

健康是人類進行一切活動的保障，而空氣質量的好壞直接影響人體健康。研究表明，我國成年人平均每日室內活動時間為20小時，城市居民和兒童則高于20小時（1）。也就是說，室內的空氣質量對于人體健康的影響遠遠高于戶外的空氣質量。然而，室內中使用的很多物品都會釋放VOC等有害氣體，嚴重危害人體健康（2）。因此，本文結合智能家居理念，提出一種能夠多點、實時監測室內空氣質量的系統設計。該系統能夠精確采集室內溫度、濕度、CO2濃度、粉塵密度（空氣顆粒物濃度）、VOC等有害氣體濃度等數據信息，最終通過wi-fi無線模塊，將室內空氣數據信息穩定地傳輸到電腦或者手機等客戶端（3）。該系統監測項目種類繁多、測量精準、多點同步檢測、穩定性好、成本低廉、人機交互簡單、有一定預警與報警措施。人們可以根據傳輸的數據信息，采取下一步措施來改善室內空氣質量或凈化室內空氣。

1 系統總體方案設計

該系統主要由電源模塊、核心處理器、數據采集模塊、液晶顯示模塊、Wi-Fi無線收發模塊和客戶端六部分組成。在整個系統中，電源模塊為其他各模塊供電，STM32F103作為微處理器（4），主控芯片通過數據選擇電路傳感器與溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器、空氣VOC濃度傳感器等多種傳感器建立串口連接，實現對室內溫度、濕度、空氣顆粒物濃度、CO2濃度、空氣VOC濃度等空氣質量參數進行監測。開發板通過TFT液晶顯示屏，將項目檢測出相應的數值顯示在TFT液晶顯示屏上（5），配合ESP8266無線模塊將數據傳輸到局域網服務器端，用戶可通過電腦或者手機等客戶端遠程查看實時室內環境參數。系統總體框圖如圖1所示。

2 系統硬件設計

硬件設計主要包括：STM32F103微處理器、傳感器數據采集模塊、液晶顯示模塊、Wi-Fi無線收發模塊。硬件系統結構圖如圖2。

2.1 STM32F103微處理器

微處理器（MCU）采用意法半導體STM32F103VCT6芯片，如圖3所示內核采用ARM 32位Cortex-M 3處理器，工作頻率高達72MHz;內存為256KB的Flash程序存儲器，48KB的SRAM，足以存儲或處理用戶程序;2個12位AD、外部通道16個、內部通道2個，內置溫度傳感器;7個定時器包含1個高級定時器（PWM）;9個通信接口，包括2個U2C接口、3個USART、2個SPI、1個USB接口、1個CAN，可以滿足溫濕度、VOC濃度以及其他數據信息采集。該芯片具有低能耗，功能強大的特點。微處理器通過USB接口與外部系統連接，實現實時發送數據的目的。

2.2 傳感器數據采集模塊

2.2.1 溫濕度傳感器

系統采用ZS03傳感器（6），該傳感器是一款數字式溫濕度傳感器，采用高分子電阻型濕敏原件和NTC測溫元件。具有采集溫度時間快，精度相對于傳統溫度傳感器高，抗干擾能力強等特點。內部集成ADC轉換電路，單總線數據傳輸。可以設置問答模式或自動上傳模式。傳輸協議具備求和校驗位，提高了數據傳輸過程的安全可靠度。

2.2.2 CO2濃度傳感器

采用MH-Z19B傳感器（7），該二氧化碳濃度傳感器模塊通過自由擴散效應，將所在環境中二氧化碳濃度傳遞到設備內部，利用非色散紅外（NDIR）原理對空氣中存在的CO2進行高精度檢測，具有良好的選擇性、無氧氣依賴性和壽命長等特點。內置溫度補償電路設計，可以進行小范圍的溫度自動補償。同時支持USART串口輸出、模擬輸出以及PWM輸出。該傳感器是將紅外吸收氣體檢測技術、精密光路設計和精良電路設計緊密結合而制作出的高性能傳感器，具有抗水汽干擾、不中毒等特性。

2.2.3 VOC濃度傳感器

采用ZP-16傳感器（8），該傳感器使用先進的片式后膜半導體氣敏元件，該氣敏元件對甲醛、一氧化碳、氨氣、酒精、香煙煙霧、香精等有機揮發氣體具有極高的靈敏度。元器件在出廠時已經通過老化、標定、校準等流程。內置ADC轉換電路，具有USART串口輸出。

模塊通訊分為主動上傳與問答式兩種工作模式，出場默認為主動上傳模式，模塊在主動上傳模式下，每經過1s后，會從USART串口中發送一次當前環境中有機揮發物濃度值。

2.2.4 粉塵傳感器

采用ZH03B傳感器（9），該激光粉塵傳感器利用米氏散射原理，通過集成風扇將附近空氣吸入，對空氣中存在的粉塵顆粒物進行高精度檢測。傳感器內部結構精密，風道設計科學，可以適應多種外部風道情況。內部集成ADC模塊電路可以將數據通過USART串口或PWM輸出。

2.3 液晶顯示模塊

LCD液晶顯示屏由液晶面板、觸摸面板、液晶控制器芯片組成，在PCB底板上通過排線引出信號線，液晶顯示屏本身集成了控制器芯片，MCU可以直接將需要顯示的內容通過排線傳輸給液晶控制器，從而控制面板顯示。

主控芯片開發板與液晶模塊通過排針連接，引腳連接如圖所示4。標號1圈出的是液晶引出8080信號的16位數據線，與MCU的I/O引腳直接相連，用于RGB信號數據的傳輸。標號2圈出的是8080的控制信號線，同樣與MCU的獨立I/O引腳直接相連，通過MCU控制LCD。特別地，液晶的復位引腳，即LCD_RESET引腳與MCU的復位引腳NRST直接相連。這樣可以讓MCU進行復位的同時，自動觸發液晶面板的復位引腳，同步復位。標號3圈出的是觸摸控制芯片XPT2046引出的SPI控制信號線。MCU可以通過SPI獲得觸摸信號。

2.4 Wi-Fi無線收發模塊

采用ESP8266串口（10），Wi-Fi無線收發模塊的ESP826 6-12E，ESP8266-12E是ESP8266-12的增強版，完善外圍電路，增強阻抗匹配，信號輸出更佳，無論是穩定性還是抗干擾能力，都得到了大幅度的提升，引腳上也新增了六個IO口，SPI 口引出，開發更便捷。WIFI 模塊通過服務器送至APP。在遠程客戶端即可看到室內空氣質量信息。

3 系統軟件設計

3.1 微處理中心軟件系統設計

微處理中心主程序流程圖如圖5所示，應用程序采用C語言進行編寫。具體流程如下：

（1）系統上電后進行初始化;

（2）采集空氣質量各參數信息;

（3）計算處理各參數信息;

（4）將處理后的數據信息傳給液晶顯示器;

（5）與閾值作對比，若數據信息接近或超出閾值，發出預警或報警;

（6）重復（2）～（5）操作。

3.2 室內空氣監測系統軟件設計

室內空氣監測系統軟件設計主要是數據采集程序設計，其流程圖如圖6所示。通過單總線數據傳輸，主控MCU發出起始信號，在傳感器響應后延時直到數據線被拉低。延時到數據區域，判斷數據線電平，從而獲取傳輸數據。將傳輸的數據依次放入全局數組中，結束通訊后進行數據處理、數據校驗并與傳輸數據校驗位對比。若一致則接收數據有效，否則重新傳輸數據。在編程時，對各傳感器模塊操作程序、串口通信程序、數據存儲程序以及液晶顯示程序均采用C語言編寫。通過程序轉換，能夠獲得室內空氣溫濕度、VOC濃度、粉塵密度等數據信息。

4 結論

本文介紹了基于STM32的智能室內無線空氣質量監測系統設計，其硬件設計和軟件設計，并在教室、實驗室、住宅等多種場合進行測試，結果顯示該系統能夠實現多點、實時、準確監測室內溫濕度、粉塵密度、VOC等有害氣體濃度等數據信息，并通過wi-fi無線網絡，將室內空氣數據信息穩定地傳輸到電腦或者手機等客戶端。該系統設計不但實現了準確、實時、穩定地監測室內空氣質量的目的，而且具有低成本、低能耗、人機交互簡單、便于升級維護等特點，具有廣泛的應用前景。

參考文獻

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