基于STM32的家居環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：【研究目的】現(xiàn)存家居環(huán)境檢測(cè)儀設(shè)計(jì)中存在缺少氨氣、硫化物、苯系蒸汽和甲醛等致癌物檢測(cè)、缺少M(fèi)Q138傳感器的度量及轉(zhuǎn)換公式、缺少數(shù)據(jù)可視化操作等問題。針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的家居環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)。【實(shí)驗(yàn)方法】系統(tǒng)采用STM32F103ZET6單片機(jī)作為主控芯片，通過Wi-Fi模塊的MQTT協(xié)議將采集到的（MQ-2煙霧、MQ-5液化氣、MQ-7一氧化碳、MQ-135空氣質(zhì)量、MQ-138甲醛、PM2.5粉塵、DHT11溫濕度等）傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨⒗镌莆锫?lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與傳輸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)功能；使用阿里云云數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)采集到的數(shù)據(jù)，并通過微信小程序與阿里云的連接完成采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示。同時(shí)系統(tǒng)可通過小程序控制加熱器、負(fù)離子發(fā)生器等設(shè)備改善室內(nèi)空氣質(zhì)量。【結(jié)果】經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高，能夠滿足實(shí)際家居環(huán)境檢測(cè)與調(diào)整需求。【結(jié)論】該系統(tǒng)能夠有效提高家居環(huán)境檢測(cè)的多樣性，解決當(dāng)前家居環(huán)境檢測(cè)儀監(jiān)測(cè)有害氣體種類不足、缺少M(fèi)Q138轉(zhuǎn)換公式的問題，并可以將家居環(huán)境變化趨勢(shì)可視化。

關(guān)鍵詞：STM32F103ZET6；阿里云；微信小程序；Wi-Fi模塊；傳感器

中圖分類號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

文章編號(hào)：1009-3044（2025）07-0099-05

開放科學(xué)（資源服務(wù)） 標(biāo)識(shí)碼（OSID）

0 引言

家居環(huán)境污染，特別是甲醛、PM2.5、氨氣、硫化物等有害物質(zhì)的超標(biāo)，對(duì)居民健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，在租房前進(jìn)行家居環(huán)境檢測(cè)顯得尤為重要。然而，現(xiàn)有的家居環(huán)境檢測(cè)儀存在諸多不足，如缺乏對(duì)致癌物如甲醛、氨氣、硫化物等的全面檢測(cè)，缺少關(guān)鍵傳感器的度量轉(zhuǎn)換公式，以及數(shù)據(jù)可視化不足等。針對(duì)現(xiàn)存問題，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)室內(nèi)空氣檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)集成了7種傳感器，構(gòu)建了全面的室內(nèi)空氣檢測(cè)矩陣，能夠準(zhǔn)確檢測(cè)并顯示家居環(huán)境中的常見污染物。通過微信小程序，用戶可實(shí)時(shí)查看檢測(cè)結(jié)果，享受便捷的數(shù)據(jù)可視化服務(wù)。

本設(shè)計(jì)有以下3個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)：①解決目前設(shè)計(jì)缺少氨氣、硫化物、苯系蒸汽和甲醛等致癌物檢測(cè)的問題。韋栗[1]通過對(duì)溫濕度和煙霧的采集來展示家居環(huán)境的空氣質(zhì)量；朱菊香[2]通過對(duì)PM2.5、甲烷、二氧化碳的采集，來對(duì)室內(nèi)環(huán)境有毒氣體進(jìn)行檢測(cè)。現(xiàn)有的工作都缺少對(duì)氨氣、硫化物、苯系蒸汽和甲醛等致癌物檢測(cè)。針對(duì)此問題本系統(tǒng)除了采用傳統(tǒng)傳感器對(duì)常見有害物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，還創(chuàng)新性地采用MQ135和MQ138傳感器對(duì)室內(nèi)氨氣、硫化物、苯系蒸汽和甲醛等致癌物進(jìn)行檢測(cè)，彌補(bǔ)了市面上家居環(huán)境檢測(cè)儀對(duì)于室內(nèi)空氣檢測(cè)種類的不足。②解決缺少M(fèi)Q138傳感器的度量及轉(zhuǎn)換公式的問題。吳自玉[3]雖對(duì)甲醛和甲苯氣體進(jìn)行采集，但并沒有補(bǔ)全相應(yīng)的度量及其轉(zhuǎn)換公式。因此本系統(tǒng)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)提出度量方法，補(bǔ)全了MQ138傳感器對(duì)于甲醛采集的轉(zhuǎn)換公式并且證明了該公式的可行性。③解決缺少數(shù)據(jù)可視化的問題。錢平等[4]通過連接阿里云實(shí)現(xiàn)在微信小程序頁(yè)面進(jìn)行實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程和對(duì)室內(nèi)環(huán)境的檢測(cè)；Luyong Ren[5]通過連接ONENET平臺(tái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)室內(nèi)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。其雖有數(shù)據(jù)上傳以及顯示功能，但都缺少直觀的數(shù)據(jù)可視化展現(xiàn)。因此本系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)匯總、數(shù)據(jù)可視化以及空氣質(zhì)量調(diào)整外設(shè)控制，實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境檢測(cè)及數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通過室內(nèi)空氣檢測(cè)矩陣采集家居環(huán)境數(shù)據(jù)，利用MQTT協(xié)議低延遲、低功耗上傳至云端。云端數(shù)據(jù)同步至微信小程序，用戶可直觀查看環(huán)境數(shù)據(jù)與天氣狀況[4]，并遠(yuǎn)程控制智能家居。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)溫度、濕度、PM2.5、甲醛等關(guān)鍵指標(biāo)，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確即時(shí)。微信小程序提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、報(bào)警通知、遠(yuǎn)程控制及生活場(chǎng)景預(yù)設(shè)功能。ECharts圖表展示數(shù)據(jù)趨勢(shì)，支持歷史查詢。系統(tǒng)全年無間斷運(yùn)行，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定加密，支持多用戶多家庭接入，界面簡(jiǎn)潔易操作，為家居健康提供全面保障。

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)以STM32為核心，集成多傳感器監(jiān)測(cè)煙霧、液化氣、一氧化碳等有害氣體及溫濕度、甲醛、PM2.5等[6-7]。超限即亮燈示警，液化氣泄漏則蜂鳴器預(yù)警。數(shù)據(jù)經(jīng)Wi-Fi傳至阿里云端，同步至微信小程序和云數(shù)據(jù)庫(kù)。用戶可通過小程序查看天氣、家居環(huán)境實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并利用echarts實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化。同時(shí)，小程序支持遠(yuǎn)程控制家居設(shè)備，如負(fù)離子發(fā)生器、溫控設(shè)備、加濕器等，實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境智能化管理。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.2 度量標(biāo)準(zhǔn)

本節(jié)介紹甲醛濃度、PM2.5濃度、一氧化碳濃度，空氣濕度檢測(cè)方法。具體公式根據(jù)室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB/T18883-2022設(shè)計(jì)而成，具體國(guó)家規(guī)范指標(biāo)如表1所示。

設(shè)計(jì)中空氣質(zhì)量參數(shù)根據(jù)國(guó)家現(xiàn)執(zhí)行的環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB/TGB3095-2012設(shè)計(jì)而成，具體國(guó)家規(guī)范指標(biāo)如表2所示。

空氣質(zhì)量傳感器測(cè)量的輸出結(jié)果為體積濃度，對(duì)應(yīng)單位為ppb，質(zhì)量-體積濃度轉(zhuǎn)換公式如下所示：

[1 000ppb=1ppm=1.2mg/m3]" " " " （1）

式中：ppb，ppm，mg/m3為濃度符號(hào)。

由以上公式可以得到有害氣體標(biāo)準(zhǔn)是

一氧化碳：≤8 333.33ppb

甲醛：≤66.67ppb

PM2.5：≤41.67ppb

2 環(huán)境檢測(cè)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)通過增加氨氣、硫化物、苯系蒸汽和甲醛等致癌物的檢測(cè)，解決市面上家居環(huán)境檢測(cè)儀對(duì)于室內(nèi)空氣檢測(cè)種類不足的問題，尤其是關(guān)鍵致癌物檢測(cè)缺失的問題。通過溫濕度傳感器DHT11、煙霧傳感器MQ-2、液化氣傳感器MQ-5、一氧化碳傳感器MQ-7、空氣質(zhì)量傳感器MQ-135、甲醛傳感器MQ-138和PM2.5傳感器等7種傳感器做了一個(gè)室內(nèi)空氣檢測(cè)矩陣，對(duì)日常生活中常見的空氣污染做了全方位的檢測(cè)，并通過蜂鳴器和LED燈向用戶預(yù)警和直觀地顯示家居環(huán)境檢測(cè)質(zhì)量；經(jīng)由Wi-Fi模塊與阿里云進(jìn)行連接，做到數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上報(bào)和遠(yuǎn)程控制的功能。系統(tǒng)硬件原理圖如圖2所示。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

DHT11模塊利用GPIO固件庫(kù)與滴答定時(shí)器模擬時(shí)序，通過指針獲取并轉(zhuǎn)換溫濕度值。同時(shí)，MQ系列氣體傳感器采集模擬電壓，經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字值后，依據(jù)轉(zhuǎn)換公式得出氣體濃度。一旦檢測(cè)到液化氣濃度超標(biāo)，通過DO引腳輸出低電平信號(hào)，觸發(fā)蜂鳴器預(yù)警。系統(tǒng)采用串口通信，Wi-Fi模塊利用AT指令與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)通過MQTT協(xié)議互連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。當(dāng)云平臺(tái)發(fā)送指令至單片機(jī)，經(jīng)處理后執(zhí)行對(duì)應(yīng)操作，如控制報(bào)警等，形成閉環(huán)監(jiān)控體系，確保環(huán)境安全。整體設(shè)計(jì)集成了溫濕度監(jiān)測(cè)、氣體濃度檢測(cè)及遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，有效提升了環(huán)境監(jiān)測(cè)的智能化水平。ADC采集程序流程圖如圖3所示。

2.2 云端設(shè)計(jì)模塊

云端設(shè)計(jì)，首先要將阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的地域選擇到華東2（上海）。然后點(diǎn)擊免費(fèi)的公共實(shí)例，在里面創(chuàng)建產(chǎn)品，創(chuàng)建產(chǎn)品成功后配置設(shè)備，并配置產(chǎn)品功能跟自定義topic。將以上操作完成后，點(diǎn)擊云產(chǎn)品流轉(zhuǎn)配置產(chǎn)品云流轉(zhuǎn)規(guī)則，就可以將stm32采集到的數(shù)據(jù)通過SQL規(guī)則查詢語句傳到阿里云平臺(tái)，并通過云產(chǎn)品流轉(zhuǎn)規(guī)則將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)轿⑿判〕绦蚝驮茢?shù)據(jù)庫(kù)中。系統(tǒng)云端設(shè)計(jì)程序流程圖如圖4所示。

3 度量公式設(shè)計(jì)

本節(jié)通過設(shè)計(jì)MQ138甲醛傳感器轉(zhuǎn)換公式實(shí)現(xiàn)環(huán)境甲醛數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化采集與度量。同時(shí)將MQ2煙霧，MQ7一氧化碳，MQ135空氣質(zhì)量，MQ138甲醛，PM2.5等傳感器采集到的模擬電壓值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓值，再經(jīng)過氣體濃度轉(zhuǎn)換公式將數(shù)字電壓值轉(zhuǎn)換成氣體濃度進(jìn)行讀取。具體氣體濃度轉(zhuǎn)換公式如下：

①M(fèi)Q2 煙霧傳感器公式

[ppm = 613.9f * pow（RS/R0， -2.074f）]" " " （2）

②MQ7 一氧化碳傳感器公式

[ppm = 98.322f * pow（RS/R0， -1.458f）]" " "（3）

③MQ135 空氣質(zhì)量傳感器公式

[ppm=（（11.5428*35.904*temp1）/（25.5-5.1*temp1）*（1/0.6549））]" " （4）

④MQ138 甲醛傳感器公式

[ppb=（temp/（66.64 * 0.08））*833]" " " " "（5）

⑤PM2.5 傳感器公式

[ug/m3=（pm_ad+ad1）/80 ]" " " " " " "（6）

式中：ppm（煙霧/一氧化碳濃度） 、ppb（甲醛濃度） 通過電壓值（temp/temp1） 計(jì)算，ug/m3（PM2.5濃度） 由初始值pm_ad與采集平均值ad1計(jì)算，均基于器件在潔凈空氣中電阻R0與不同濃度下電阻RS的比對(duì)。

關(guān)于MQ138甲醛傳感器轉(zhuǎn)換公式的補(bǔ)全可以通過表1室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB/T18883-2022和公式（1） 質(zhì)量-體積濃度轉(zhuǎn)換公式得出甲醛濃度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)：

[0.08mg/m3 = 833 * 0.08 = 66.64 ppb]" " " "（7）

通過以上公式除以被除數(shù)temp（采集的電壓值） 乘以833（1 mg/m3=833 ppb） 就得出了室內(nèi)空氣中的甲醛含量。

4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)可視化

單一的數(shù)據(jù)收集雖可以實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境的監(jiān)測(cè)，但數(shù)據(jù)不夠直觀，數(shù)據(jù)的查看也不夠便捷。如當(dāng)有害物質(zhì)出現(xiàn)系統(tǒng)報(bào)警時(shí)若普通用戶需要使用電腦登錄阿里云查看數(shù)據(jù)是有一定操作難度的，同時(shí)只憑每日數(shù)據(jù)也難以直觀地找出有害物質(zhì)產(chǎn)生的原因。而可視化后的數(shù)據(jù)可以直觀展示家居環(huán)境變化趨勢(shì)，讓戶主快速找到環(huán)境變化的關(guān)鍵點(diǎn)。因此對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)可視化具有重要意義。本系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)匯總、數(shù)據(jù)可視化以及空氣質(zhì)量調(diào)整外設(shè)控制，實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境檢測(cè)及數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)。以下是頁(yè)面設(shè)計(jì)步驟。

1） 主頁(yè)面設(shè)計(jì)：

①配置js：設(shè)置阿里云與和風(fēng)天氣參數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)獲取。

②設(shè)計(jì)wxml：布局頁(yè)面，展示阿里云與和風(fēng)天氣數(shù)據(jù)。

③設(shè)置wxss：調(diào)整頁(yè)面樣式。

④導(dǎo)入必要文件：mqtt.js、aliyun文件夾。

2） 可視化頁(yè)面設(shè)計(jì)：

①配置js：設(shè)置數(shù)據(jù)接口，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)為圖表格式，設(shè)置刷新機(jī)制。

②引用echarts：在json文件中聲明。

③設(shè)計(jì)wxml：集成echarts圖表。

④設(shè)置wxss：調(diào)整圖表顯示尺寸。

⑤導(dǎo)入echarts.js與ec-canvas文件夾。

完成上述步驟后，微信小程序即可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示、遠(yuǎn)程控制與數(shù)據(jù)可視化功能。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)如圖5所示。

5 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析

5.1 測(cè)試環(huán)境

1） 硬件環(huán)境：包括MQ138在內(nèi)的7種傳感器、ADC模塊、微控制器（如Arduino、STM32） 、Wi-Fi模塊、LED指示燈、蜂鳴器、加熱片、半導(dǎo)體制冷器、負(fù)離子發(fā)生器、加濕器及電源供應(yīng)器。

2） 軟件環(huán)境：微控制器的編程環(huán)境（如Arduino IDE、Keil） 、阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)賬號(hào)、微信小程序開發(fā)環(huán)境、云數(shù)據(jù)庫(kù)管理工具及echarts可視化工具。

5.2 測(cè)試方法

1） MQ138傳感器校準(zhǔn)與數(shù)據(jù)采集：

①在零甲醛環(huán)境下校準(zhǔn)傳感器，記錄初始電壓作為基準(zhǔn)。

②使用甲醛氣體源模擬不同濃度環(huán)境，穩(wěn)定后通過ADC模塊采集電壓值。

③將電壓值代入公式（5） 計(jì)算甲醛濃度，并與預(yù)設(shè)值比較，驗(yàn)證轉(zhuǎn)換公式準(zhǔn)確性。

2） 室內(nèi)空氣檢測(cè)矩陣測(cè)試：

①連接并配置所有硬件設(shè)備至微控制器，確保Wi-Fi模塊與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)連接無誤。

②在阿里云平臺(tái)上驗(yàn)證數(shù)據(jù)接收，并檢查微信小程序與云數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)同步情況。

③通過微信小程序操作，測(cè)試對(duì)家居環(huán)境設(shè)備的遠(yuǎn)程控制功能，如加熱片、半導(dǎo)體制冷器等。

3） 數(shù)據(jù)可視化與天氣接口測(cè)試：

①驗(yàn)證微信小程序能實(shí)時(shí)接收阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)下發(fā)的數(shù)據(jù)。

②使用和風(fēng)天氣API接口，測(cè)試并顯示當(dāng)前城市天氣信息。

③利用echarts生成動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)刷新的可視化頁(yè)面，檢查數(shù)據(jù)展示的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。

5.3 測(cè)試結(jié)果

如圖（6-7）所示，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，MQ138傳感器即開始監(jiān)測(cè)家居環(huán)境中的甲醛濃度，通過電導(dǎo)率變化反映甲醛含量，并利用特定公式將采集的電壓值轉(zhuǎn)換為濃度值，成功預(yù)警甲醛超標(biāo)情況，提示須通風(fēng)處理。

同時(shí)，如圖（8-10）所示。集成了7種傳感器的室內(nèi)空氣檢測(cè)矩陣，開始全面監(jiān)測(cè)包括甲醛在內(nèi)的多種有害氣體，以每?jī)擅氲臅r(shí)間通過Wi-Fi上報(bào)至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，并利用云流轉(zhuǎn)功能同步至微信小程序和云數(shù)據(jù)庫(kù)，增強(qiáng)了對(duì)致癌物及常見空氣污染物的檢測(cè)能力。

此外，如圖（11）所示。當(dāng)空氣質(zhì)量超標(biāo)或檢測(cè)到液化氣泄漏時(shí)，系統(tǒng)分別通過LED指示燈和蜂鳴器提供視覺與聽覺警示。微信小程序不僅可遠(yuǎn)程查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，還能控制智能家居設(shè)備如加熱片、加濕器等，實(shí)現(xiàn)智能調(diào)控。

最后，如圖（12-13）所示，結(jié)合了和風(fēng)天氣API與云數(shù)據(jù)庫(kù)，微信小程序提供動(dòng)態(tài)更新的天氣信息及空氣質(zhì)量可視化圖表，全面展示家居環(huán)境監(jiān)測(cè)與調(diào)控效果，構(gòu)建了一個(gè)集數(shù)據(jù)采集、分析、可視化與智能控制于一體的家居環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)。

6 結(jié)束語

綜上所述，該系統(tǒng)致力于開發(fā)一種能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)并優(yōu)化家居環(huán)境狀況的全面解決方案，通過集成多種傳感器（含MQ138傳感器等） 與STM32單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)家居中空氣質(zhì)量、甲醛濃度等關(guān)鍵指標(biāo)的精準(zhǔn)檢測(cè)與數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)不僅解決了現(xiàn)有檢測(cè)儀在空氣質(zhì)量和甲醛檢測(cè)方面的不足，還創(chuàng)新性地引入了MQ138傳感器的度量及轉(zhuǎn)換公式，確保了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。借助阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳與云端存儲(chǔ)，同時(shí)通過微信小程序?yàn)橛脩籼峁┝酥庇^、便捷的數(shù)據(jù)查看與智能家居控制功能，包括遠(yuǎn)程操控加熱片、半導(dǎo)體制冷器、負(fù)離子發(fā)生器及加濕器等設(shè)備，極大地提升了家居生活的智能化與舒適度。未來系統(tǒng)將在多傳感器融合技術(shù)、智能算法生成空氣質(zhì)量檢測(cè)報(bào)告、數(shù)據(jù)安全與隱私保護(hù)、低功耗設(shè)計(jì)以及跨平臺(tái)應(yīng)用等方面持續(xù)探索與創(chuàng)新，以不斷滿足用戶對(duì)于高品質(zhì)、智能化家居生活的追求。

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【通聯(lián)編輯：梁書】