基于機智云的空氣質量多功能檢測系統設計

龍諾春 江源榜

（廣東白云學院電氣與信息工程學院，廣東 廣州 510450）

1 引言

空氣中的有害物質直接影響人們的心身健康，室內空氣的危害氣體主要有CO、CO2、PM2.5、甲醛等[1]。溫濕度對人的舒適度有較大影響，低濕度環境對人有多種不利影響[2-4]。因此，對空氣中的有害氣體及環境的溫濕度進行檢測是必要的，對人員密集、活動頻繁的室內公共場所進行空氣質量檢測尤為重要。空氣質量檢測方法可以根據檢測內容的不同進行設計。采用STC 系列單片機可設計出室內溫濕度、PM2.5顆粒物濃度檢測方法[5]。利用STM32單片機能實現對室內溫濕度、PM2.5 以及甲醛濃度檢測，數據可采用藍牙通信方式傳輸到手機[8]，也可利用網絡和LoRa(Long Range)無線通信技術實時地將檢測結果上傳至上位機[9]。上述方法對空氣質量的檢測主要對象是溫濕度、PM2.5、CO、CO2甲醛濃度等，而且一臺檢測設備也難以完成這些目標的同時檢測。在數據傳輸方面，藍牙通信距離短、可靠性不高，LoRa 無線通信技術系統較復雜，成本相對高。實際上，空氣中的有毒有害氣體比較多，例如空氣中的TVOC(Total Volatile Organic Compounds 總揮發性有機物，簡稱TVOC)對空氣質量影響大，引起了人們的高度重視。因此，針對目前空氣質量檢測系統功能少的現狀提出了一個新的設計方案，系統設計以STM32 單片機為主控器，由有關功能傳感器和WiFi 無線通信模塊組成，利用機智云和WiFi無線通信技術將數據傳輸到用戶終端，實現數據共享。該方案可完成多種有害氣體的檢測，同時能對溫濕度進行監測。

2 系統設計方案

空氣質量檢測系統可檢測多種有害氣體，對環境的溫度、濕度能進行監測，檢測到的數據信息可上傳到機智云平臺，并發送到用戶終端，設計目標和技術指標如下：

2.1 設計目標與技術指標

2.1.1 設計目標

（1）具有能夠檢測CO、CO2、甲醛、TVOC、PM2.5和溫濕度檢測功能。

（2）能夠在LCD屏上實時的顯示相關檢測數據。

（3）利用WiFi無線通信技術上傳數據到機智云平臺。（4）能將數據發送到用戶終端，實現用戶手機及電腦等設備遠距離傳輸。

（5）具有對有害氣體超標提示與報警功能。

2.1.2 主要技術指標

系統設計的技術指標如表1所示：

表1 技術指標要求

2.2 系統組成與模塊選型

2.2.1 系統組成

根據設計目標構建系統組成，如圖1所示，系統主控制器為STM32，數據采集部分由二氧化碳（TVOC、溫濕度）傳感器模塊、甲醛傳感器模塊、PM2.5 采集模塊以及一氧化碳采集模塊構成，此外還有顯示、報警以及WiFi無線通信模塊。

圖1 空氣質量檢測系統組成框圖

2.2.2 功能模塊的選擇

（1）系統主控制芯片的選擇

控制器是系統的主要器件，在滿足功能要求的情況下主要考慮性價比，通過對目前市面上比較流行的幾大主流單片機芯片對比分析，系統設計宜選用STM32F407ZGT6 單片機，該芯片具多個串口，主時鐘頻率達到168MHz。

（2）PM2.5傳感器的選擇

PM2.5傳感器種類多，有普通傳感器，也有激光傳感器，可根據精度要求和價格進行選擇，相對于普通傳感器，激光PM2.5傳感器精度高但價格貴許多，本次設計選用價格低的夏普GP2Y1014AU作為PM2.5傳感器。

（3）二氧化碳(TVOC)與溫濕度傳感器選擇

考慮到系統功能需求，采用CCS811傳感器，它既可檢測二氧化碳，又能作為TVOC傳感器使用。溫濕度傳感器選用HDC1080模塊，它與二氧化碳(TVOC)傳感器集成在一起，采用IIC總線傳輸數據，體積小。IIC總線類型的傳感器結合在一起有利于節省I/O口資源。

（4）一氧化碳以及甲醛傳感器模塊的選擇

一氧化碳（CO）與甲醛屬于高危氣體，考慮到安全性要求，CO傳感器選用ZET07-CO模塊，甲醛傳感器采用英國達特SMT8404 數字式模塊，主要是因為這兩款傳感器是以串口方式傳輸信號，而且數字信號傳輸不易受到外界干擾。

3 系統硬件設計

系統硬件設計主要是對各種傳感器、WiFi無線通信模塊等功能器件與STM32單片機的接口電路設計。功能單一的傳感器接口電路簡單，下面介紹主要的模塊接口電路。

3.1 CJMCU-8118傳感器模塊采集電路設計

CJMCU-8118 模塊就是CCS811 二氧化碳（TVOC）傳感器與HDC1080溫濕度傳感器組合體，采用IIC總線，CJMCU-8118模塊與STM32單片機的連接方式如圖2所示，其中SCL是IIC數據傳輸的時鐘，SDA為IIC的數據線，WAK是一個使能信號線。

圖2 CJMCM-8118與STM32接口電路

3.2 串口數據傳輸器件電路設計

系統設計使用四個串口類型的數據傳輸器件，分別是CO 傳感器模塊、甲醛傳感器模塊、串口LCD 屏幕以及WiFi8266模塊。這四個串口類型模塊與STM32單片機的連接方式如圖3所示。采用5V供電電壓，其中CO模塊連接的是單片機的串口P4，甲醛模塊連接的是單片機的串口P3，LCD 屏幕連接的是單片機的串口P2，WiFi8633 模塊連接單片機時，需要GBC_LED 與GBC_KEY 作為控制信號設置WiFi8266模塊的工作模式。

圖3 串口類模塊與單片機連接圖

4 系統軟件設計

4.1 主控程序設計

在系統運行時可能會出現外界的干擾，為了防止系統在遇到干擾時無法正常運行，系統在軟件設計上加入了看門狗程序，保障系統運行不出差錯，程序流程圖如圖4 所示。STM32F4 的中斷系統可配置16 個不同優先級別的中斷，并且中斷之間還可以嵌套中斷。首先對單片機初始化，進行優先級分組，在此配置兩個響應優先級和兩個搶斷優先級。系統滴答計時器的初始化是為了做精準的延時而準備的，延時函數在每個模塊基本上都有調用。最后對各個模塊初始化，主要是對STM32F4 最小系統I/O 口的參數以及模式進行配置，主要有串口的配置、ADC、IIC、PWM 的功能配置。完成了初始化后，系統開始檢測WiFi 模塊有沒有成功連接路由器。在WiFi成功連接之后開始接收數據，與設定數據進行比較，是否有CO、甲醛超標，有超標則蜂鳴器警報，并通過通信方式向手機APP或者PC端發送警報。沒有超標將會繼續判斷CO2、TVOC、溫濕度、PM2.5 是否超標，如果有超標，系統顯示屏將會紅色提示，否則，顯示屏將會是藍色，表示正常。

圖4 主程序流程圖

4.2 WiFi模塊程序設計

在對WiFi 模塊進行編程之前，先要對WiFi 模塊進行固件庫改寫，在固件庫改寫成功之后才能進行編程，程序流程圖如圖5所示。圖中的喂狗就是上一節提到的看門狗程序，協議處理可直接調用庫函數實現。WiFi設備通過配置入網，可由按鍵啟動相應的連接模式，并對配置好的路由器進行連接。WiFi設備與機智云服務器是雙向通信，APP 端的操作信息通過機智云服務器發送到WiFi 設備，WiFi 設備接收完成后，單片機（MCU）將會收到協議幀格式的數據，緩沖區將會儲存數據。每隔一段時間都會進行一次抓包，然后將數據進行解析，解析后的數據能被MCU 識別從而發起事件處理。傳感器采集的數據能夠被MCU 儲存，然后這些數據通過協議封裝成數據幀發送到WiFi 設備，WiFi 設備將數據輸送至機智云端服務器，再傳輸到用戶終端。

圖5 WiFi模塊工作流程圖

4.3 傳感器模塊程序設計

4.3.1 PM2.5傳感器模塊程序設計

PM2.5 傳感器主要用到了ADC 變換以及PWM 脈沖信號配合才能得到采集的數據。采樣程序是根據夏普官方說明書中提到要接入一個280us 低電平和9720us 高電平的PWM 信號作為啟動信號。通過計算PWM 的周期能達到10ms，PM2.5 模塊只有在PWM 低電平280us 后才開啟轉換，因此這時候的ADC采樣才是有效的。程序設計時ADC的初始化是通過配置寄存器把管腳功能復用為ADC，PWM初始化是配置PA4管腳相關參數。

根據夏普PM2.5官方提供的典型粉塵電壓轉換圖，如圖6 所示，可計算粉塵濃度。但是由于起始電壓的典型值在不同的地區會有不一樣的取值，實際上在很多地區的無塵電壓為0V。由圖6 可知，電壓變化范圍在0.0V～3.5V 時，粉塵濃度與電壓呈線性關系。

圖6 粉塵電壓轉換圖

電壓值的轉換計算：

粉塵轉換計算：

由公式（1）（2）得出總的計算公式：

注：因ADC 是12 位，212 的值是4096，但計算機中12 位的非負數補碼最大值是4095，公式（3）需要進行修正，修正值為500/4095=0.12，因此，公式（3）要減去0.12，這樣實際測量值更準確。

4.3.2 CJMCU-8118模塊程序設計

CJMCU-8118 模塊的信息采集是通過IIC 總線進行的，IIC 協議啟動、停止、等待ACK 到來的時序都是通用時序。在IIC 總線的通信中要求時鐘速度不能過快，否則將會丟失數據，導致無法進行數據的采集。IIC 協議內容也相對比較簡單，在使用時可以直接調用相應的庫函數。IIC 總線中規定讀取寄存器數據必須選擇對應的地址，寫入信息之后停止，重新啟動才能真正開始讀取儲存器的數值。要讀取相應的CO2、TVOC、溫濕度大小必須將其地址寫入傳感器，才能獲取相應的轉化值。寫入地址信息以及配置好模塊的模式之后，要用IIC的讀數據方式。讀完數據之后沒有應答信號，結束一次數據的讀取。程序設計時二氧化碳與TVOC 直接是16 位的ADC 轉換值，溫濕度計算轉換根據官方資料提供的公式。

溫度計算公式：

濕度計算公式：

4.3.3 甲醛與一氧化碳模塊程序設計

這兩個傳感器使用的傳輸方式都是串口方式，并且在數據傳輸上是一致性，所以兩個模塊的程序設計方法相同。串口通信（USART）初始化是配置好相應的復用功能，串口采用中斷接收的方式，下一步就是要對中斷服務函數初始化。在中斷數據接收中判斷數據是否為0xff的16進制編碼，如果是則進一步開始保存相應的數據，當數據達到8位的時候停止接收。經過這一個流程就能完成一次數據的接收。程序設計時根據表2計算CO濃度與甲醛濃度，具體計算公式如下：

表2 串口通信數據傳輸表

甲醛濃度計算公式：

CO濃度計算公式：

5 系統集成與測試

各功能模塊設計、調試完成后，集成為一個系統，再進行系統功能測試。根據實際測量得到的粉塵濃度數據如圖7所示。圖中數據是在高濃度的粉塵下進行的測試，該測試結果能夠驗證公式（3）計算的正確性。圖8是系統集成圖，圖中所示信息是在一個VR 室測試的空氣質量數據，測試結果說明了系統實現了相關功能。

圖7 實際測量粉塵濃度與電壓關系圖

圖8 VR室的實際檢測數據效果圖

6 結語

項目系統硬件設計了多種不同功能傳感器、WiFi無線通信模塊與主控制器STM32芯片的接口電路。根據傳感器的工作原理設計了相關程序，并以機智云平臺和WiFi無線通信模塊原理編寫了通信程序。實現了對室內空氣中的CO、CO2、PM2.5、TVOC、甲醛的含量以及溫濕度的實時監測，檢測到的數據可在LCD 液晶屏顯示，同時通過WiFi 無線通信技術和機智云平臺傳輸到用戶終端，并具有超標報警功能。該空氣質量檢測系統在VR 室得到測試，性能穩定，數據準確，具有實際應用價值。