基于ARM的遠程室內環境監測與調控系統設計

項目資助：北方民族大學自治區級大學生創新項目經費（項目編號：2019-QJ-021）

摘要：室內環境檢測和調控系統可以實現對室內溫度、空氣濕度、氧氣含量、甲醛濃度等進行準確的測量，本文基于ARM操作平臺，采用C/S模式，設計一套穩定、可靠、實用的遠程檢測控制系統，具備無線網絡連接功能和LED終端顯示功能，并借助智能設備讀取數據庫存儲的數據，調用程序指令，從而實現遠程操控，這對室內環境優化調整具有重要意義，實用性強，市場前景十分廣闊。

關鍵詞：ARM;環境檢測;智能處理;顯示模塊

隨著人們生活水平的不斷提升，對所居住環境要求也越來越高，當前由于經濟發展和人們家居裝修需求，空氣質量不佳，對此能夠檢測環境各方面指數的系統設備受到社會各界高度關注。當前對室內環境監測方面主要包括了對溫度、濕度以及空氣優良指數相關的數值，其中溫度和濕度的測試在技術上實現相對簡單，但是裝修和其他活動產生的甲醛、苯氨、甲苯等有害物質，人們并不能直觀的感受到，長期生活在這樣的環境下，影響人們身體健康，因此設計出一套具備遠程操控和智能監測系統對人們生活具有指導幫助作用[1]。當前，主流方式是采用GPRS和彩信實現遠程視頻監控，并集成先進的處理器、傳感器模塊、無線數據傳輸功能，通過手機和電腦等終端實現數據智能化分析處理。

一、系統總體結構及工作原理

（一）系統結構

該系統總體上包括兩大部分，分別是本地檢測采集設備和遠程操控設備兩部分，其中本地檢測采集是該系統主要部分，根據功能可以劃分為數據分析處理系統和數據采集系統和數據傳輸系統三部分，這些系統集成了傳感器模塊、USB無線網卡、LED顯示、環境調控模塊、報警模塊等功能。在實際應用中，將需要測量的區域放置檢測采集設備，通過各種模塊進行數據采集分析處理，例如：各類傳感器模塊可以對空氣中的溫度、濕度、甲醛、氣壓、二氧化碳含量等進行實時監測，并通過無線傳輸到遠程終端，根據需要反饋相應指令，通過環境調控模塊的紅外操控功能，實現對周圍空調、加濕器、凈化器等智能的控制，達到遠程操控的目的[2]。

（二）工作原理

首先根據對外監測傳感器傳入的環境參數在處理器中進行分析加工，然后通過電信號轉換成具體數值，并將數據保存到固定的儲存卡內，這些數值便是整個系統對周圍環境監測所采集分析出來的結果，通過與系統內部預設數值以及自身歷史數值進行對比，可以得出當前環境參數的前后變化和空氣優良指數，一旦監測數值超過預警線，系統將自動發送短信或者手機APP彈窗進行提醒，用戶則根據提醒掌握室內環境質量，并進行下一步操作，可以將提前設定好的數值反饋到處理器中，處理器根據預設對帶有紅外功能的設備進行操控。除此之外，監測系統的各個模塊也可以通過用戶發送的指令進行開關控制，達到節省能耗和節約資源的目的。

二、系統軟、硬件設計

（一）硬件設計

系統硬件方面包括了核心處理器、傳感器、無線傳輸以及電源電路等硬件，其中核心處理器是數據處理分析的中樞，具有重要地位，通過各方面的綜合對比，發現STM32系列處理器，可以很好的實現目標需求，且能耗成本較低，性價比高，因此，本文采用的是型號為STM32F103ZET6的處理器，內部集成USB、CAN、定時器等功能[3]。

傳感器是系統的觸覺，是真實反映環境各項數據的關鍵部分，傳感器的優劣將直接影響數據采集的準確程度，最終影響系統的性能和功效。氣壓測量選用BMP180傳感器，這是一種高精度數字壓力傳感器，具有低功耗、低電壓的優點，穩定性強，可以測量30—110kPa壓力范圍。對于氣溶膠顆粒檢測，本文選用GP2Y1050AU0F傳感器，其光散射原理能夠將PM1以上的顆粒準確檢測出來。溫度和濕度是基本的環境參數，采用AM2320溫濕度復合型傳感器進行相關參數測量，該傳感器適用性強，溫度測量范圍上限可達75攝氏度，下限達負35攝氏度，濕度測量能夠準確反映空氣0%—99.5%的濕度。除此之外，人們對環境中的甲醛含量較為關注，MS1100傳感器能夠準確偵測環境中0～100×10-6kg/m3濃度范圍內的氣體甲醛含量。

無線傳輸模塊起到了數據傳輸的橋梁作用，一般情況下傳感器監測的各類數據都要通過無線傳輸模塊進行傳輸，與處理器之間的數據交換一般采用的是串口通信的方式，單電源供電。在GPRS模塊中SIM900A是一個比較實用的，供電范圍寬：3.2～4.8V;支持頻段：GSM/GPRS 900/1800MHz;易于封裝，能耗也低，性價比較高。

（二）軟件設計

系統正常運轉除了具備必要的硬件基礎外，還需要搭建軟件平臺，數據是固定的，但是如何通過數據轉化為人們所能看懂的數值并且準確反映環境參數，是軟件分析工具所需要完成的任務，首先需要將底層硬件初始化，通過處理器自帶的A/D轉換功能，將傳感器采集的參數進行轉化，在經過無線傳輸和人工反饋后，各項指令會通過處理器發送到各個帶有紅外功能的設備中，如何保證設備準確接受這些參數，并正確反映，需要軟件不斷進行測試和調整。以氣溶膠懸浮顆粒傳感器為例，我們通過不同環境溫度下測得具體數據進行分析：

如上表所示，其傳感器測試存在誤差，這就對測量精度有一定的影響，因此需要在軟件設計方面進行優化，防止因為單個數值誤差較大，產生不必要的反應，或者發出錯誤的指令，影響系統正常運轉。

三、結語

基于ARM的遠程室內環境監測與調控系統能夠對室內溫濕度、各類氣體含量、氣壓大小等方面進行準確的探測，并且通過軟件優化后，能夠智能化處理分析相關數據，做出科學判斷，其穩定性和可靠性較強，能夠滿足人們對室內環境監測控制要求。

參考文獻：

[1]張加宏， 潘周光， 劉進，等. 基于ARM的遠程室內環境監測與調控系統設計[J]. 現代電子技術， 2017（02）：12-15.

[2]樊清，陳一民. 基于ARM嵌入式技術的室內環境參數采集系統設計[J]. 可編程控制器與工廠自動化（5期）：93-95.

[3]盧令，蔡樂才，高祥， 等.基于物聯網的室內空氣質量智能感知與凈化系統[J].四川理工學院學報（自然科學版），2018，31（4）：63-67.

作者簡介：

黃正淦，北方民族大學。