基于STM32單片機的室內空氣質量監控系統設計

王波

（阿壩師范學院電子信息與自動化學院，四川汶川，623000）

0 引言

空氣污染已經成為一個不可低估的問題，由于其對日益頻繁的災難性事件的影響，我們卻無能為力。近年來，各國政府不僅試圖限制全球排放，還試圖限制我們居住的建筑物中可能的污染源。雖然人們每天的大部分時間都在室內，但是我們缺很少關注家里的空氣質量。研究表明，我們一天中大部分時間吸入的室內空氣的污染程度是室外空氣的3到4倍。這是指對我們的生活有害的二氧化碳（CO2）和總揮發性有機化合物（TVOC）[1]。

隨著空氣質量監測系統在市場上迅速普及，尤其是那些集成到通風系統中的系統。其中許多僅限于測量單個房間和通風系統附近的室內空氣質量（IAQ）。為了更好的評估室內環境的健康狀況，設計了一款基于STM32單片機的空氣質量監控系統，該系統通過藍牙技術與安卓手機上的APP通信，實時顯示室內環境中污染源的數值；同時，信息會在OLED屏同步顯示。

1 硬件設計

本設計選用STM32F103C8T6作為系統處理器，其工作的最高頻率為72MHz，芯片具有高達128k字節的片內FLASH，20k字節的SRAM。可工作在睡眠、待機、停機模式，因此功耗較低。由于內置了2個12位模數轉換器，具有雙采樣和保持功能。同時STM32良好的通信和控制功能，兩個硬件IIC接口，3個串行通信口。芯片資源比較豐富，能很好的滿足系統的設計要求[2]。電源部分可采用手機充電器輸出5V的電壓，經過π型濾波電路，AMS1117-3.3V穩壓為單片機、溫濕度傳感器模塊、二氧化碳傳感器模塊以及OLED提供3.3V電壓。系統總體框圖如圖1所示。系統使用STM32F103C8T6單片機作為控制器，外圍電路主要由CCS811二氧化碳模塊電路、HTU21D溫濕度模塊電路、HC-06藍牙模塊電路、OLED液晶顯示電路、蜂鳴器電路、按鍵控制電路等構成。

圖1 室內空氣質量監控系統總體設計框圖

1.1 單片機最小系統電路

圖2所示為STM32F103C8T6單片機最小系統電路。最小系統電路包括SWD下載電路，晶振電路、按鍵復位電路、電源電路，RTC電路等。其中，STM32單片機通過IIC接口與HTU21D溫濕度傳感器模塊以及CCS811二氧化碳模塊通信，實時獲取當前的溫濕度數據、TVOC數據、ECO2數據，HC-06藍牙模塊與STM32單片機的串口1連接，單片機將采集到的溫濕度數據、TVOC數據和ECO2數據通過藍牙模塊發送到安卓手機上。

圖2 STM32最小系統電路圖

1.2 CCS811二氧化碳模塊電路

室內空氣質量會受到各種污染物的影響，目前還沒有標準的測量方法。最有希望的方法之一是監測揮發性有機化合物（TVOC）和二氧化碳（CO2）的水平。揮發性有機化合物是一種化合物，其毒性取決于它們在我們呼吸的空氣中的濃度[3]。

CCS811是一種超低功耗的數字式氣體傳感器，通過IIC接口與MCU通信。CCS811將金屬氧化物氣體傳感器和微控制器子系統集成在一起,從而使得智能手機、可穿戴設備和聯網家用設備能夠實現室內空氣質量（Indoor Air Quality,IAQ）監測,并簡化了設計,延長了電池續航時間,縮減了系統成本。圖3是CCS811二氧化碳模塊電路圖。

圖3 CCS811二氧化碳模塊電路圖

CCS811芯片可以工作在查詢模式和中斷模式，這里設置為查詢模式，且每秒鐘測量一次。主機周期性地從傳感器讀取數據，讀取ALG_RESULT_data寄存器中的4個字節，首先讀出的兩個字節是ECO2的高字節和低字節，接下來讀數的數據是TVOC的高字節和低字節。CCS811支持對相對濕度和環境溫度進行補償，因此，為了獲得更高的精度，在每次讀取傳感器讀數之前，可以使用HTU21D的溫度和濕度值更新ENV_DATA寄存器以補償傳感器的讀數。在設計中，由于將NWAKE管腳始終接地，芯片始終不會進入睡眠模式，ADDR引腳接地，芯片的讀寫地址分別為0xB4與0xB5。注意在準確讀數前CCS811傳感器有20分鐘的狀態周期。此外，為了使性能更加穩定，需要將CCS811至少運行24小時[4]。

該模塊測量總有機揮發物(TVOC)范圍是0-1187ppb，但是測量二氧化碳的濃度并不是空氣中二氧化碳的直接濃度，而是CO2的估算值，即ECO2，輸出范圍是400-8192ppm。表格1是室內空氣CO2濃度和通風需求的關系，為了使室內空氣健康，CO2的濃度不得超過1000ppm。

表1 室內空氣中CO2濃度和通風需求的關系

1.3 HTU21D溫濕度模塊電路

HTU21D是一個高度精確的溫度和相對濕度傳感器，它與CCS811一樣，都是通過IIC接口與STM32單片機相連，器件的讀寫地址為0x80和0x81，芯片默認分辨率為12位相對濕度和14位溫度讀數，測量數據以兩字節數據包的形式傳輸，高位在前，低位在后。測量值需要按照下列公(1)、(2)公式進行轉換可轉換為以攝氏度為單位的溫度值和以%RH為單位的相對濕度值。圖4是HTU21D溫濕度模塊電路。式中STemp和SRH為HTU21D的溫度和相對濕度的采樣值[5]。

圖4 溫濕度模塊電路

1.4 HC-06藍牙模塊電路

HC-06藍牙串口通信模塊,是基于Bluetooth Specification V2.0帶EDR藍牙協議的數傳模塊。無線工作頻段為2.4GHzISM，調制方式是GFSK。模塊最大發射功率為4dBm,接收靈敏度-85dBm,板載PCB天線,可以實現10米距離通信。模塊采用CSR的BC417芯片，支持AT指令，用戶可根據需要更改角色（主、從模）以及串口波特率、設備名稱等參數，使用靈活。模塊上電后，默認是從模式，波特率9600N81，藍牙名為HC-06，配對密碼1234，不需要更改[6]。圖5是HC-06藍牙模塊接口電路圖。

圖5 HC-06藍牙模塊接口電路

2 軟件設計

開發環境采用KEIL公司的MDK5對系統進行開發，當系統上電后，初始化相應IO口、串口1、配置定時器、中斷，隨后初始化OLED液晶顯示器、溫濕度傳感器和二氧化碳傳感器，顯示開機LOGO。單片機主循環中一旦檢測到1s定時時間到，就獲取ECO2濃度、TVOC濃度、溫濕度數值，送OLED顯示并發送到手機APP上，當室內的ECO2濃度超過1000ppm或者TVOC濃度超過50ppb時，啟動蜂鳴器報警功能，以告知人們室內空氣污染物超標，不適宜久待。圖6是室內空氣質量監控系統流程圖。

圖6 室內空氣質量監控系統流程圖

3 系統測試

在系統測試之前，需要先在在安卓手機上下載安裝藍牙助手APP，然后給系統上電。當系統正常運行30分鐘后，打開手機端的藍牙助手，選擇名為HC-06的藍牙進行配對連接，配對成功之后，就能正常接收室內的ECO2和TVOC數據，以及溫濕度數據，這些數據與OLED屏上顯示的數據同步。圖7是系統測試圖。

圖7 系統測試圖

4 結語

本文利用STM32單片機作為控制器，結合藍牙技術設計并制作了空氣質量監控系統，提出了一種對室內空氣質量監控的辦法，該系統外圍電路簡單易制作，并且成本低廉，可以在家庭、圖書館、教室等場合使用，能有效的保護人們的健康，實用性較強，具有很高的推廣價值。