韋海成 王淼軍 魏鑫 舒勝

摘 要： 針對(duì)現(xiàn)代智能家居室內(nèi)空氣質(zhì)量的健康問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種基于STM32單片機(jī)的室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)使用模塊化設(shè)計(jì)，由主控模塊、傳感器模塊、串口轉(zhuǎn)WiFi模塊、顯示模塊、多級(jí)自適應(yīng)調(diào)節(jié)模塊組成。主要完成室內(nèi)空氣溫濕度、AQI值的監(jiān)測(cè)顯示及自適應(yīng)調(diào)節(jié)，使其維持在適宜人居住的范圍以內(nèi)。此外開發(fā)出相應(yīng)的手機(jī)APP，通過(guò)串口轉(zhuǎn)WiFi模塊，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在手機(jī)客戶端的實(shí)時(shí)顯示。實(shí)驗(yàn)表明：該系統(tǒng)運(yùn)行可靠，靈敏度高，可實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、可視化顯示、自適應(yīng)調(diào)節(jié)及報(bào)警功能，在智能家居領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： STM32； 傳感器； WiFi模塊； 多級(jí)自適應(yīng)調(diào)節(jié)

中圖分類號(hào)： TN915?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）08?0130?05

Indoor air quality monitoring and adaptive control system based on STM32

WEI Haicheng， WANG Miaojun， WEI Xin， SHU Sheng

（School of Electrical and Information Engineering， Beifang University of Nationalities， Yinchuan 750021， China）

Abstract： Aiming at the problems of indoor air quality in modern smart home， a kind of adaptive regulating system based on STM32 microcontroller was designed. The modular idea is put to use in the design. The whole system consists of main control module， sensor module， module from serial port to WiFi， display module， multi?stage adaptive control module. This system is mainly used to complete monitoring and adaptive regulation of indoor air temperature， humidity and AQI （air quality index）. The purpose of the system is to maintain indoor condition within the scope of suitable habitat， develop a corresponding mobile phone APP， and make the monitored data displayed in the mobile terminal. The experimental results show that the system has reliable operation， high sensitivity， can achieve the functions of real?time monitoring， visual display， adaptive adjustment and alarm， and has the very good application prospect in the field of smart home.

Keyword： STM32； sensor； WiFi module； multi?stage adaptive adjustment

隨著生活水平的不斷改善，人們對(duì)居家生活的舒適性、便捷性提出了更高的要求，與此同時(shí)也對(duì)居家環(huán)境的健康性越來(lái)越重視。然而現(xiàn)存的智能家居行業(yè)普遍存在價(jià)格昂貴[1]，標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的問(wèn)題[2]。設(shè)計(jì)的產(chǎn)品具有一定專用性，但系統(tǒng)之間很難相互移植。目前的智能家居多注重于家電的遠(yuǎn)程開關(guān)[3?5]、智能防盜[6?8]、氣體檢測(cè)[9]等，很少有專門針對(duì)人居環(huán)境監(jiān)測(cè)自適應(yīng)調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，尤其是對(duì)室內(nèi)環(huán)境空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)。針對(duì)此需求，本文從經(jīng)濟(jì)實(shí)用的角度出發(fā)，選用基于Cortex?M3內(nèi)核的STM32系列單片機(jī)為主控制芯片，設(shè)計(jì)出一套針對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)及自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了對(duì)室內(nèi)空氣溫濕度、AQI（Air Quality Index）值的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示及自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能，必要的時(shí)候還可進(jìn)行報(bào)警提示。為了方便系統(tǒng)后期的嵌入移植，本文采用模塊化的設(shè)計(jì)理念。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為控制芯片構(gòu)成主控模塊，主要完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析處理、各功能模塊的協(xié)調(diào)調(diào)度。系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制如下：上電復(fù)位以后，傳感器模塊對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量的參數(shù)進(jìn)行采集，空氣溫濕度的檢測(cè)由SHTx系列數(shù)字溫濕度傳感器完成，AQI值由GP2Y1010AU0F灰塵傳感器完成。檢測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)STM32主控芯片分析處理，送至顯示模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示（OLED顯示，手機(jī)APP顯示）。根據(jù)檢測(cè)值與設(shè)定值的差距，啟動(dòng)多級(jí)自適應(yīng)調(diào)節(jié)模塊完成對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊設(shè)計(jì)

本文選用意法半導(dǎo)體公司基于Cortex?M3內(nèi)核的STM32F103CBT6單片機(jī)為主控芯片。作為整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的控制中樞，主控模塊要完成整個(gè)系統(tǒng)各功能模塊的協(xié)調(diào)調(diào)度，首先根據(jù)數(shù)字溫濕度傳感器特有的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制建立通信時(shí)序，完成與溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)通信；其次對(duì)于灰塵傳感器，要對(duì)其檢測(cè)到的AQI值模擬量進(jìn)行A/D量化處理。然后對(duì)這些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行STM32內(nèi)部的分析處理，最后調(diào)用相關(guān)的功能模塊完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的顯示與系統(tǒng)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。在軟件編程方面，STM32單片機(jī)自帶專門的函數(shù)庫(kù)，可直接調(diào)用相應(yīng)API（Application Program Interface）來(lái)配置STM32寄存器實(shí)現(xiàn)編程。具有開發(fā)周期短、程序可讀性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖

2.2 傳感器模塊電路設(shè)計(jì)

傳感器模塊主要完成對(duì)室內(nèi)空氣溫濕度及AQI值的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。SHT1x系列數(shù)字溫濕度傳感器，其內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換功能，可直接將檢測(cè)到的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量與STM32進(jìn)行數(shù)據(jù)通信?；覊m傳感器GP2Y1010AU0F，其AQI值檢測(cè)輸出為模擬量，須借助STM32單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換功能進(jìn)行數(shù)值的量化。

2.2.1 數(shù)字溫濕度傳感器

SHT1x系列單芯片傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。包括一個(gè)電容式聚合體測(cè)濕元件和一個(gè)能隙式測(cè)溫元件，體積小、功耗低、且內(nèi)部自帶校準(zhǔn)程序及基準(zhǔn)電壓，測(cè)量精確度高。電源供電引腳VDD采用3.3 V電壓供電，GND引腳接地。數(shù)據(jù)通信采用兩線制串行接口方式，使得系統(tǒng)集成方便快捷，時(shí)鐘輸入引腳SCK，完成通信的時(shí)序同步（與STM32的PA12引腳相連）。數(shù)據(jù)引腳DATA為數(shù)據(jù)通信提供傳輸通道（與STM32的PA11引腳相連）。

2.2.2 灰塵傳感器

灰塵傳感器GP2Y1010AU0F，由5 V電壓供電，具有封裝小、功耗低、靈敏度高、精確度好等特點(diǎn)。檢測(cè)輸出的電壓模擬量，經(jīng)10 kΩ和4.7 kΩ電阻分壓后，送至STM32端口進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換采集。使用STM32內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換通道1（PA1）。GP2Y1010AU0F上電經(jīng)1 s休眠以后便開始穩(wěn)定正常地工作，其引腳連接示意如圖2所示。

圖2 GP2Y1010AU0F引腳連接示意圖

2.3 顯示模塊設(shè)計(jì)

作為系統(tǒng)的顯示單元，為用戶提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可視化界面。不僅能通過(guò)OLED進(jìn)行顯示，也可通過(guò)串口轉(zhuǎn)WiFi模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至手機(jī)端進(jìn)行顯示。

2.3.1 OLED顯示屏模塊

OLED，即有機(jī)發(fā)光二極管，具有對(duì)比度高、厚度薄、視角廣、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，相對(duì)于傳統(tǒng)的LCD顯示，OLED 具有自發(fā)光功能，不需要背光顯示，且分辨率高（本設(shè)計(jì)采用的OLED分辨率為128×64）。在數(shù)據(jù)傳輸方面，提供多種對(duì)外接口方式，例如I2C（Inter?Integrated Circuit）接口，串行SPI（Serial Peripheral Interface）接口，6800、8080并行接口。 OLED顯示屏由芯片SSD1306驅(qū)動(dòng)，SSD1306的GRAM（Graphics Random Access Memory）大小為128×64 b（分8頁(yè)，每頁(yè)128 B），通過(guò)控制SSD1306，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)OLED的刷新顯示。

本設(shè)計(jì)采用4線制SPI接口方式（刷新速度快），使用的信號(hào)線主要有：CS（片選信號(hào)）、RES（硬復(fù)位）、DC（命令數(shù)據(jù)標(biāo)志）、D0（串行時(shí)鐘線）、D1（串行數(shù)據(jù)線）。引腳連接如圖3所示。

圖3 OLED引腳連接示意圖

對(duì)于傳統(tǒng)的OLED 4線制SPI接口顯示方式存在的刷新重疊問(wèn)題（4線制SPI接口只能對(duì)SSD1306的GRAM進(jìn)行寫操作，在刷新顯示時(shí)不能對(duì)當(dāng)前顯示位狀態(tài)進(jìn)行讀判斷，顯示過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)覆蓋），本設(shè)計(jì)采用虛擬SSD1306顯存的方法，使用STM32內(nèi)部SRAM（Static Random Access Memory）建立一個(gè)與SSD1306的GRAM大小相同的緩存區(qū)。直接在STM32的內(nèi)部完成數(shù)據(jù)修改，最后一次性把數(shù)據(jù)送至SSD1306的GRAM進(jìn)行OLED的數(shù)據(jù)顯示，這樣不僅避免了數(shù)據(jù)刷新的重疊問(wèn)題，也提高了數(shù)據(jù)顯示的刷新速度。

2.3.2 串口轉(zhuǎn)WiFi模塊

STM32將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后，通過(guò)此模塊轉(zhuǎn)化為WiFi信號(hào)，經(jīng)路由調(diào)制，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在手機(jī)APP上的顯示。模塊的驅(qū)動(dòng)芯片采用RM04，需要5 V和3.3 V電源同時(shí)供電，使用I2C串口總線的方式與主控芯片STM32完成數(shù)據(jù)通信（ROM4的RX、TX引腳分別連接STM32的PA9、PA10引腳）。

2.4 多級(jí)自適應(yīng)調(diào)節(jié)模塊設(shè)計(jì)

主要完成對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，系統(tǒng)通過(guò)設(shè)定空氣質(zhì)量相關(guān)參數(shù)的動(dòng)作閾值，運(yùn)用PWM技術(shù)進(jìn)行多級(jí)調(diào)節(jié)，有效地降低了系統(tǒng)的能耗。同時(shí)引入微調(diào)機(jī)制，減緩了系統(tǒng)的超調(diào)；設(shè)定適宜參數(shù)范圍，避免了機(jī)械開關(guān)的頻繁動(dòng)作。使用LCD進(jìn)行級(jí)調(diào)的可視化顯示。

2.4.1 PWM原理在系統(tǒng)中的應(yīng)用

脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種對(duì)模擬量進(jìn)行A/D數(shù)字量化編碼、利用改變微處理器輸出數(shù)字量的占空比，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬電路輸出量進(jìn)行控制的一種技術(shù)。系統(tǒng)根據(jù)空氣質(zhì)量相關(guān)參數(shù)測(cè)量值與設(shè)定值的偏差等級(jí)，進(jìn)行不同級(jí)別的調(diào)節(jié)。此設(shè)計(jì)中的加濕器、散熱風(fēng)扇、過(guò)濾風(fēng)扇都是由直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)PWM調(diào)制改變驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸入電壓有效值的大小，從而控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，最終實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣質(zhì)量多級(jí)調(diào)節(jié)的效果。

2.4.2 多級(jí)調(diào)節(jié)動(dòng)作范圍閾值的設(shè)定

人居環(huán)境最適宜溫度范圍為23～27 ℃，本系統(tǒng)設(shè)定值為25 ℃。由于人體對(duì)溫度±（1～2） ℃內(nèi)的變化不敏感[10]，故在此波動(dòng)范圍內(nèi)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)不動(dòng)作，這樣就避免了繼電開關(guān)的頻繁開閉，延長(zhǎng)了外設(shè)的使用壽命。當(dāng)實(shí)際監(jiān)測(cè)的溫度與設(shè)定溫度相差±（2～3） ℃時(shí)，啟動(dòng)一級(jí)微調(diào)（散熱風(fēng)扇或電熱風(fēng)扇）。如若一級(jí)微調(diào)不能滿足環(huán)境的變化對(duì)室內(nèi)溫度的影響；當(dāng)監(jiān)測(cè)溫度與設(shè)定溫度差值達(dá)到±（3～5） ℃時(shí)，便啟動(dòng)二級(jí)調(diào)節(jié)；如若差值繼續(xù)增加，達(dá)到±（5～7） ℃時(shí)啟動(dòng)三級(jí)調(diào)節(jié)；如若超出系統(tǒng)的可調(diào)范圍，便進(jìn)行報(bào)警處理（當(dāng)差值達(dá)到±7 ℃時(shí)）?？諝鉂穸?、AQI值的調(diào)節(jié)與溫度相同，其分級(jí)調(diào)節(jié)參數(shù)閾值設(shè)定詳見表1。

表1 PWM多級(jí)自適應(yīng)調(diào)節(jié)參數(shù)閾值

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言，在RVMDK開發(fā)環(huán)境下完成系統(tǒng)程序的編譯調(diào)試及下載。軟件的編程同樣使用了模塊化的設(shè)計(jì)思想，各程序模塊功能獨(dú)立，模塊之間接口連接。系統(tǒng)軟件的總體流程如圖4所示。

系統(tǒng)開機(jī)初始化以后進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集，將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)送至STM32進(jìn)行分析處理。STM32將監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)送至顯示模塊進(jìn)行顯示，另外根據(jù)監(jiān)測(cè)值與設(shè)定值的比對(duì)，確定是否進(jìn)行分級(jí)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。對(duì)于環(huán)境參數(shù)嚴(yán)重超標(biāo)的情況，進(jìn)行報(bào)警處理。程序主要涉及到的功能模塊有：

（1） 數(shù)字溫濕度傳感器模塊：根據(jù)SHTx數(shù)字溫濕度傳感器的通信機(jī)制，編寫讀寫時(shí)序。

（2） 灰塵傳感器模塊：對(duì)其檢測(cè)到的AQI值模擬量進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

（3） OLED顯示模塊：完成SSD1306與STM32的數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在OLED上的刷新顯示。

（4） 串口轉(zhuǎn)WiFi模塊，完成ROM4與STM32的數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)手機(jī)在APP上的實(shí)時(shí)顯示。

（5） 自適應(yīng)調(diào)節(jié)模塊，實(shí)現(xiàn)外設(shè)PWM多級(jí)自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能。

3.2 數(shù)字溫濕度傳感器軟件設(shè)計(jì)

SHT1x溫濕度傳感器自身具備A/D轉(zhuǎn)換功能，在軟件設(shè)計(jì)方面主要是完成溫濕度傳感器與主控芯片之間的數(shù)據(jù)通信，由于其自身對(duì)溫濕度的監(jiān)測(cè)具有較高的靈敏性，且集成的A/D轉(zhuǎn)換具備內(nèi)部校準(zhǔn)機(jī)制，具有較高的準(zhǔn)確性，在軟件設(shè)計(jì)方面主要注重其實(shí)時(shí)性。數(shù)據(jù)通信采用兩線雙向的串口連接方式， 其一組完整的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程包括：?jiǎn)?dòng)傳輸、指定位寫命令、等待傳輸結(jié)束、數(shù)據(jù)傳輸、CRC校驗(yàn)。具體介紹如下：

（1） 啟動(dòng)傳輸。啟動(dòng)SHT1x溫濕度傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)序如下：在SCK時(shí)鐘為高電平期間，DATA由高電平翻轉(zhuǎn)為低電平，在SCK相鄰的下一個(gè)高電平時(shí)。DATA再由低電平翻轉(zhuǎn)為高電平，以此作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯?dòng)信號(hào)。

（2） 指定位寫命令。目前用到的寫命令地址為：000，SHT1x溫濕度傳感器監(jiān)測(cè)的溫濕度數(shù)據(jù)由同一條數(shù)據(jù)線傳輸，傳輸數(shù)據(jù)由5位命令位決定（溫度數(shù)據(jù)：00011；濕度數(shù)據(jù)：00101），例如：圖5為在地址位000寫入傳輸濕度數(shù)據(jù)命令時(shí)序圖。

（3） 等待測(cè)量結(jié)束。為了保證溫濕度監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性，軟件的編程采用交差采集的方法，即溫度與濕度的數(shù)據(jù)采集交替進(jìn)行。但同時(shí)為了兼顧數(shù)據(jù)采集的完整性，在寫入測(cè)量切換命令以后，要經(jīng)過(guò)至少320 ms的延時(shí)，等待上一組數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)束。SHT1x通過(guò)下拉 DATA四個(gè)時(shí)鐘周期表示進(jìn)入空閑模式。接下來(lái)是2 B的測(cè)量數(shù)據(jù)，其傳輸時(shí)序如圖6所示，傳輸?shù)臑闈穸葦?shù)據(jù)：100100110001，對(duì)應(yīng)濕度75.79 %RH。為確保傳輸數(shù)據(jù)的正確性，選擇 8位CRC奇偶校驗(yàn)碼進(jìn)行校驗(yàn)。此外，當(dāng)SHT1x溫濕度傳感器與主控芯片STM32的數(shù)據(jù)通信發(fā)生異常時(shí)，SHT1x溫濕度傳感器將DATA拉高9個(gè)時(shí)鐘周期，產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。

3.3 灰塵傳感器軟件設(shè)計(jì)

GP2Y1010AU0F灰塵傳感器自身不具備A/D轉(zhuǎn)化功能，本設(shè)計(jì)借助STM32內(nèi)部自帶的A/D轉(zhuǎn)換功能完成對(duì)灰塵傳感器采集數(shù)據(jù)模擬量的量化。A/D轉(zhuǎn)換通過(guò)調(diào)用STM32內(nèi)部庫(kù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)，為確保其轉(zhuǎn)換精度，轉(zhuǎn)換過(guò)程中使用兩次均值濾波。對(duì)模擬量進(jìn)行連續(xù)10次數(shù)字采集，然后依次排序，去掉最大值和最小值，最后求平均值作為A/D轉(zhuǎn)換的模擬量輸入。對(duì)量化后的數(shù)字量進(jìn)行同樣的均值濾波處理，以提高A/D轉(zhuǎn)化的精度。

3.4 PWM多級(jí)調(diào)節(jié)的軟件設(shè)計(jì)

此設(shè)計(jì)使用STM32內(nèi)部定時(shí)器3的4個(gè)獨(dú)立通道（TIM3_CH1，TIM3_CH2，TIM3_CH3，TIM3_CH4）分別控制散熱風(fēng)扇、加濕器、過(guò)濾風(fēng)扇、電熱風(fēng)扇的驅(qū)動(dòng)電路。脈沖控制調(diào)制可以產(chǎn)生一個(gè)由TIM3_ARR（捕獲/比較寄存器）確定頻率，由TIM3_CCR（自動(dòng)重裝載寄存器）確定占空比的信號(hào)。當(dāng)定時(shí)器的計(jì)數(shù)CNT小于CCR的值時(shí)，對(duì)應(yīng)GPIO口輸出低電平（有效電平），當(dāng)定時(shí)器的計(jì)數(shù)CNT大于CCR的值時(shí)，對(duì)應(yīng)GPIO口輸出高電平。通過(guò)調(diào)整TIM3_CCR的重裝載值，即可調(diào)整GPIO輸出電壓的占空比，從而達(dá)到I/O控制外設(shè)實(shí)現(xiàn)多級(jí)調(diào)節(jié)的效果。其控制原理如圖7所示。

3.5 OLED顯示模塊軟件設(shè)計(jì)

OLED模塊主要實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在液晶屏上的實(shí)時(shí)顯示，軟件設(shè)計(jì)主要針對(duì)OLED的驅(qū)動(dòng)芯片SSD1306進(jìn)行編程。OLED顯示屏采用4線SPI的方式與主控芯片STM32進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，在此傳輸方式下，只支持對(duì)SSD1306芯片的寫操作，其時(shí)序如圖8所示。傳輸過(guò)程中，每個(gè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8 b，CS作為片選信號(hào)，低電平有效。DC命令數(shù)據(jù)引腳，低電平表示寫命令，高電平表示寫數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通過(guò)串行數(shù)據(jù)線SDIN，以高位在前的順序，在SCLK的上升沿移入SSD1306。

另外對(duì)傳統(tǒng)的OLED 4線制SPI接口通信數(shù)據(jù)重疊的問(wèn)題，本文以軟件的方式，通過(guò)虛擬SSD1306顯存的方法予以解決。通過(guò)構(gòu)建OLED_Refresh_Gram 函數(shù)。在STM32內(nèi)部定義了一個(gè)緩存區(qū)SRAM：u8 OLED_GRAM[128][8]；此部分 SRAM 對(duì)應(yīng) SSD1306芯片的 GRAM。每次數(shù)據(jù)刷新的時(shí)候，只要修改 STM32 內(nèi)部的緩存區(qū)GRAM，然后通過(guò)OLED_Refresh_Gram 函數(shù)把緩存區(qū)的數(shù)據(jù)一次性刷新到 OLED 的 GRAM 上。另外，每次顯示前對(duì)數(shù)據(jù)的逐位修改都發(fā)生在STM332緩存區(qū)的內(nèi)部，這樣大大提高了刷新速度。

3.6 串口轉(zhuǎn)WiFi模塊軟件設(shè)計(jì)

WiFi模塊的引入只要是為了實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在用戶手機(jī)APP客戶端進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，在主控芯片STM32與手機(jī)APP客戶端之間起到數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄鹤饔谩?此模塊程序主要完成了ROM4與主控芯片STM32之間的I2C串口通信（包括GPIO的工作模式、串行通信的初始化、中斷函數(shù)的初始化、數(shù)據(jù)的接收等）。

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試主要是針對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性及系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性、靈敏性進(jìn)行驗(yàn)證。室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)級(jí)自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)硬件實(shí)物如圖9所示。

（1） 監(jiān)測(cè)及顯示功能測(cè)試。主要測(cè)試傳感器模塊對(duì)室內(nèi)空氣溫濕度、AQI值監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性、靈敏性以及顯示模塊功能的實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)上電復(fù)位以后（約3 s），OLED顯示屏便開始進(jìn)行室內(nèi)空氣溫濕度、AQI值的實(shí)時(shí)顯示，檢測(cè)數(shù)據(jù)大約每2 s刷新一次。另外，通過(guò)串口轉(zhuǎn)WiFi模塊，經(jīng)路由調(diào)制實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)手機(jī)客戶端的實(shí)時(shí)顯示。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示界面如圖10所示。

（2） 多級(jí)自適應(yīng)調(diào)節(jié)測(cè)試。主要對(duì)系統(tǒng)的多級(jí)自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能進(jìn)行測(cè)試，使用吹風(fēng)機(jī)改變系統(tǒng)傳感器局部的溫濕度來(lái)模擬室內(nèi)空氣溫濕度的變化，利用香煙改變灰塵傳感器局部AQI值模擬室內(nèi)空氣AQI值的變化。為了使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯，此處使用LCD顯示屏進(jìn)行級(jí)調(diào)的可視化顯示。實(shí)驗(yàn)表明：在室內(nèi)空氣質(zhì)量相關(guān)參數(shù)可調(diào)的范圍內(nèi)，系統(tǒng)可進(jìn)行有效的多級(jí)自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

（3） 系統(tǒng)報(bào)警功能測(cè)試。主要是對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量相關(guān)參數(shù)的過(guò)度超標(biāo)溫度進(jìn)行報(bào)警提示，將吹風(fēng)機(jī)調(diào)至熱風(fēng)靠近溫濕度傳感器，溫度迅速超過(guò)40 ℃（濕度變化較慢），報(bào)警單元?jiǎng)幼鳎ǚ澍Q器報(bào)警，紅色LED閃爍）。報(bào)警復(fù)位后將點(diǎn)燃的香煙靠近灰塵傳感器，AQI值迅速超過(guò)200，報(bào)警單元進(jìn)行報(bào)警提示。

（4） 系統(tǒng)運(yùn)行可靠性測(cè)試。為驗(yàn)證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，在寧夏銀川北方民族大學(xué)智能建筑實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了數(shù)據(jù)的測(cè)試，其中24 h的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)走勢(shì)如圖11所示。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)居家環(huán)境室內(nèi)空氣質(zhì)量的問(wèn)題，設(shè)計(jì)出了一套以STM32F103CBT6 為主控芯片的室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)多級(jí)自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。本系統(tǒng)可很好地完成對(duì)室內(nèi)空氣溫濕度、AQI值的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示、多級(jí)自適應(yīng)調(diào)節(jié)及報(bào)警功能。系統(tǒng)軟硬件均采用模塊化設(shè)計(jì)思想，不僅有利于系統(tǒng)的維護(hù)升級(jí)，也方便本設(shè)計(jì)在智能家居領(lǐng)域的嵌入。實(shí)驗(yàn)表明：該系統(tǒng)在室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的過(guò)程中具有很好的實(shí)時(shí)性及靈敏性，且運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)的效果，在智能家居領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用前景。

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