基于STM32 單片機(jī)的室內(nèi)空氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉艷峰

（甘肅省太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅酒泉，735000）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和人民生活水平提高，人們對(duì)居住環(huán)境的要求也越來(lái)越高，所以室內(nèi)空氣污染成為大家關(guān)注的焦點(diǎn)，對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量也提出了更高的要求。空氣中污染物的濃度是評(píng)價(jià)室內(nèi)空氣質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)之一，傳統(tǒng)室內(nèi)空氣監(jiān)測(cè)在測(cè)試過(guò)程中都是采用人工操作，不具有自動(dòng)測(cè)量功能，不僅效率低，而且容易造成環(huán)境污染。同時(shí)，也沒(méi)有很好地適應(yīng)當(dāng)前人們對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量要求不斷提高的現(xiàn)狀。針對(duì)以上情況，設(shè)計(jì)了一種基于STM32 單片機(jī)的室內(nèi)空氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)將傳感器與單片機(jī)結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)溫濕度、甲醛、PM2.5 等環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)采集，并根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)計(jì)算出相應(yīng)的值，進(jìn)而得到室內(nèi)空氣參數(shù)實(shí)時(shí)濃度值，實(shí)現(xiàn)了對(duì)室內(nèi)空氣實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警的目的，具有簡(jiǎn)單實(shí)用，測(cè)量準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)[1]。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

■1.1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

室內(nèi)空氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括主控制器模塊、傳感器模塊、顯示模塊和藍(lán)牙模塊[2]。傳感器模塊主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，然后將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸入到單片機(jī)中，通過(guò)軟件對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行處理和分析，當(dāng)數(shù)值超過(guò)設(shè)定值時(shí)，則發(fā)出警報(bào)；顯示模塊負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)顯示室內(nèi)情況，以便及時(shí)提醒用戶采取相應(yīng)措施；藍(lán)牙模塊連接上位機(jī)進(jìn)行信息傳輸，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。

室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)主要是通過(guò)對(duì)室內(nèi)環(huán)境中空氣成分的變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)判斷室內(nèi)環(huán)境是否正常。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)采集與顯示及遠(yuǎn)程通信功能，具有性能可靠、安裝方便、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，可用于環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)及預(yù)警，能夠滿足室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)要求，可實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)測(cè)量室內(nèi)空氣質(zhì)量參數(shù)。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

■1.2 主控制器模塊

室內(nèi)空氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主控制器采用STM32F103 單片機(jī)，作為一種新型的嵌入式微處理器，該單片機(jī)具有高可靠性、體積小、易于維護(hù)等特點(diǎn)[3]。還具有良好的抗干擾能力，較高的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性。通過(guò)對(duì)STM32F103 單片機(jī)進(jìn)行功能擴(kuò)展設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、通訊、顯示和報(bào)警等功能，整個(gè)控制系統(tǒng)靈活方便，為用戶提供更多選擇和良好的使用環(huán)境。最小系統(tǒng)電路圖如圖2 所示。

圖2 單片機(jī)最小電路圖

■1.3 溫濕度采集模塊

溫濕度采集模塊采用 DHT11 數(shù)字型溫濕度傳感器，在單片機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境溫度、相對(duì)濕度的測(cè)量[4]。該傳感器測(cè)量精度高，抗干擾能力強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)溫度、濕度的連續(xù)測(cè)量。電路原理圖如圖3 所示。

圖3 溫濕傳感器電路圖

■1.4 PM2.5 采集模塊

PM2.5 采集模塊采用GP2Y1051AU0F粉塵傳感器，能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量PM2.5 濃度，通過(guò)對(duì)粉塵的檢測(cè)來(lái)判斷環(huán)境是否達(dá)標(biāo)[5]。可在較短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)環(huán)境中顆粒物的檢測(cè)和收集工作。通過(guò)對(duì)傳感器所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理計(jì)算得到顆粒物濃度值，并將其換算成相應(yīng)數(shù)值后輸入單片機(jī)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣質(zhì)量狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與診斷。PM2.5 采集模塊電路圖如圖4 所示。

圖4 PM2.5 采集模塊電路圖

■1.5 甲醛采集模塊

甲醛采集模塊采用ZE08-CH2O 傳感器，將空氣中的甲醛濃度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并通過(guò)串口傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，然后由單片機(jī)對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理和分析，得到甲醛濃度信息，從而實(shí)現(xiàn)了甲醛檢測(cè)功能[6]。該傳感器內(nèi)置溫度補(bǔ)償電路，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，可進(jìn)行溫度補(bǔ)償。同時(shí)具有體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。甲醛采集模塊電路原理圖如圖5 所示。

圖5 甲醛采集電路

■1.6 顯示模塊

顯示模塊采用OLED顯示屏，主要功能用來(lái)顯示實(shí)時(shí)溫濕度、甲醛、PM2.5 等參數(shù)，可在各種環(huán)境下使用。具有響應(yīng)速度快、大視角的特點(diǎn)，分辨率較高，由于不需要背光源，所以其功耗較低。顯示模塊電路圖如圖6 所示。

圖6 顯示模塊電路圖

■1.7 藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙模塊把單片機(jī)采集到的數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。采用HC-06 藍(lán)牙模塊，具有重量輕、功耗低等特點(diǎn)[7]。該模塊可用于從機(jī)系統(tǒng)中傳輸數(shù)據(jù)和控制信號(hào)，也可以作為其他設(shè)備連接到從機(jī)或?qū)⑵浣尤氲街饔?jì)算機(jī)上的通信單元使用，還可用于在從機(jī)與主計(jì)算機(jī)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。可以滿足各種不同的通信需求。藍(lán)牙模塊電路原理圖如圖7 所示。

圖7 藍(lán)牙模塊電路原理圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

室內(nèi)空氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件部分主要實(shí)現(xiàn)的功能是數(shù)據(jù)采集、處理和分析，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳送到主控制器。通過(guò)數(shù)據(jù)采集和分析，對(duì)室內(nèi)污染狀況進(jìn)行判斷，從而為用戶提供相應(yīng)的環(huán)境管理依據(jù)。系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了功能劃分清晰、功能豐富、運(yùn)行速度快等優(yōu)點(diǎn)。

首先，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，用戶根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定各個(gè)參數(shù)的閾值。然后將設(shè)置好的參數(shù)輸入到數(shù)據(jù)庫(kù)中。主控制器發(fā)出指令，控制各個(gè)采集模塊開始采集數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙模塊傳輸?shù)街骺刂破髦校瑫r(shí)顯示模塊顯示采集到的溫濕度、PM2.5、甲醛等實(shí)時(shí)參數(shù)值。主控制器對(duì)各個(gè)參數(shù)值進(jìn)行處理，判斷各個(gè)參數(shù)值是否超過(guò)用戶設(shè)定的閾值，當(dāng)檢測(cè)到有參數(shù)超出了設(shè)定的閾值時(shí)，主控制器啟動(dòng)報(bào)警功能提醒用戶及時(shí)采取防護(hù)措施。如果沒(méi)有，則會(huì)自動(dòng)進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)，系統(tǒng)繼續(xù)采集室內(nèi)各個(gè)參數(shù)值。在主控制器的控制下，采集模塊自動(dòng)完成工作，并向主控制器發(fā)送采集結(jié)果。在整個(gè)過(guò)程中，各子系統(tǒng)之間不存在交互關(guān)系。通過(guò)藍(lán)牙模塊與上位機(jī)連接，上位機(jī)可隨時(shí)獲取室內(nèi)環(huán)境情況。由于藍(lán)牙具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性，可以滿足不同地區(qū)和場(chǎng)所的使用需求。同時(shí)，藍(lán)牙還可以支持多種協(xié)議以及無(wú)線局域網(wǎng)通信方式，以便于遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸。主程序流程圖如圖8 所示。

3 結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，對(duì)空氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試與驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是在連續(xù)7 天內(nèi)，把同一時(shí)間同一測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果經(jīng)過(guò)加權(quán)平均得到的。所測(cè)的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖9～圖12 所示。

圖9 PM2.5 濃度對(duì)比圖

圖10 甲醛濃度對(duì)比圖

圖11 相對(duì)濕度對(duì)比圖

圖12 溫度對(duì)比圖

圖13 某時(shí)刻上位機(jī)監(jiān)測(cè)圖

本系統(tǒng)測(cè)量得到的PM2.5 濃度、甲醛濃度、相對(duì)濕度和溫度等參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)值基本吻合，誤差均在允許的測(cè)量范圍內(nèi)，具有較高的精度，符合實(shí)際測(cè)量要求。上位機(jī)可以實(shí)時(shí)顯示室內(nèi)環(huán)境參數(shù)值，并且有預(yù)警功能，當(dāng)檢測(cè)到室內(nèi)參數(shù)超過(guò)設(shè)定的上限或下限時(shí)發(fā)出警報(bào)。該系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)中得到了較好的驗(yàn)證，能夠很好地對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于STM32 單片機(jī)的室內(nèi)空氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。文中詳細(xì)介紹了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及軟件設(shè)計(jì)，采用了模塊化設(shè)計(jì)思想，以STM32 單片機(jī)作為核心器件，以溫濕度、PM2.5、甲醛等采集模塊為外圍部件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理，并將采集到的信息通過(guò)藍(lán)牙傳輸給上位機(jī)進(jìn)行顯示和管理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)室內(nèi)溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與報(bào)警功能。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)可以有效地采集并顯示室內(nèi)PM2.5、甲醛等信息，具有較好的實(shí)用性。該系統(tǒng)對(duì)改善人們居住環(huán)境有著重要意義，同時(shí)為智能家居的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)新的思路和方法。