湯祥虎 秦會(huì)斌 董勝奎

摘要：以STM32單片機(jī)為控制中心，運(yùn)用多種傳感器，設(shè)計(jì)了集室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)、顯示與報(bào)警功能的空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用傳感器對(duì)空氣中的PM2.5、有害氣體、空氣溫濕度等多種參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)WiFi模塊將數(shù)據(jù)上傳到手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備，空氣質(zhì)量達(dá)到警戒線時(shí)將觸發(fā)系統(tǒng)報(bào)警。該系統(tǒng)可靠性高、成本低，檢測(cè)方便快捷。

關(guān)鍵詞：STM32；傳感器；空氣質(zhì)量檢測(cè)；WiFi

DOIDOI：10.11907/rjdk.171587

中圖分類(lèi)號(hào)：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：16727800（2017）010013203

0引言

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，環(huán)境污染問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重，尤其是空氣污染。2013年 “霧霾”成為年度關(guān)鍵詞，更加引發(fā)了人們對(duì)空氣質(zhì)量的擔(dān)憂?？諝庵械奈廴疚镏饕晌腩w粒、懸浮顆粒物、一氧化碳和二氧化硫等[1]?？諝馐侨祟?lèi)生存的基礎(chǔ)，空氣質(zhì)量影響人們的身體健康?？諝馕廴緯?huì)引發(fā)多種疾病，包括呼吸道疾病、慢性支氣管炎和慢性肺病等[2]。人們大部分時(shí)間在室內(nèi)，室內(nèi)空氣質(zhì)量更讓人關(guān)注，為此，設(shè)計(jì)了基于STM32的室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)以STM32為核心控制器，通過(guò)多個(gè)傳感器模塊對(duì)空氣中的一些重要參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)WiFi模塊將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)上傳到手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備上，人們可隨時(shí)知曉室內(nèi)空氣質(zhì)量情況。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)集數(shù)據(jù)檢測(cè)、顯示與報(bào)警于一體，主要包括控制模塊、WiFi模塊、Android終端設(shè)備。

控制模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，包括STM32處理器、傳感器、供電系統(tǒng)以及報(bào)警系統(tǒng)，主要工作是數(shù)據(jù)的采集，并為系統(tǒng)提供電源[3]。傳感器獲取空氣質(zhì)量的參數(shù)信息，STM32把獲得的信息發(fā)送給WiFi模塊。當(dāng)參數(shù)超過(guò)一定值時(shí)，STM32控制報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警。

WiFi模塊的主要功能是負(fù)責(zé)無(wú)線終端設(shè)備接入和數(shù)據(jù)傳輸。

Android終端設(shè)備包括智能手機(jī)、平板電腦等智能終端，它的主要功能是顯示室內(nèi)空氣參數(shù)，接收用戶命令并發(fā)送到處理器。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖1所示。

2.1控制芯片選擇

主控芯片采用意法半導(dǎo)體的STM32F103C8T6，該器件擁有128K字節(jié)的閃存和20k字節(jié)的SRAM，2個(gè)12位的ADC，3個(gè)通用16位定時(shí)器，1個(gè)高級(jí)定時(shí)器，3個(gè)USART接口，1個(gè)USB接口，2個(gè)SPI接口和1個(gè)CAN總線接口。該芯片性價(jià)比、可靠性和穩(wěn)定性高，程序易于移植。

STM32通過(guò)控制各種傳感器，獲得空氣質(zhì)量參數(shù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給WiFi模塊。

2.2灰塵傳感器

灰塵傳感器采用GP2Y1051AU0F[2]，該傳感器原理如圖2所示。

GP2Y1051AU0F傳感器由發(fā)光二極管LED和光電子躍遷材料晶體管對(duì)角布置，能檢測(cè)到空氣中的灰塵散射光，特別是能有效檢測(cè)非常細(xì)的粒子。該傳感器會(huì)根據(jù)灰塵濃度的不同輸出不同的電壓值，通過(guò)得到的電壓值轉(zhuǎn)換為灰塵顆粒濃度。

GP2Y1051AU0F與主控芯片可采用AD采樣和串口通信兩種方式，本文選擇串口進(jìn)行通信。串口輸出值即為灰塵濃度轉(zhuǎn)換后的電壓值。灰塵濃度與采集得到的電壓值成線性關(guān)系，通過(guò)電壓值很容易得到空氣中的灰塵濃度，如圖3所示。

2.3有害氣體傳感器

TGS2602傳感器是檢測(cè)有害氣體的傳感器，對(duì)低濃度有氣味氣體有很高的靈敏度，如氨氣、硫化氫，對(duì)低濃度的VOCs（揮發(fā)性有機(jī)物）也有很高的靈敏度，如甲苯[4]。該傳感器由傳感芯片和加熱器組成。檢測(cè)氣體時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中的被測(cè)氣體濃度增加而增加。

TGS2602有加熱電壓VH和線路電壓VC。加熱電壓加在與傳感器集成的加熱器上，以保持傳感器在一個(gè)特定的最佳溫度。線路電壓用來(lái)與負(fù)載RL測(cè)量電壓VOUT，VOUT值隨空氣中的有害氣體濃度的變化而變化，這樣得到空氣中有害氣體的濃度[5]。

2.4溫濕度傳感器

溫濕度傳感器DHT11是常用的一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器[6]。該傳感器抗干擾能力強(qiáng)、校準(zhǔn)精確，具有極高的可靠性和穩(wěn)定性，電路如圖5所示。DHT11采用簡(jiǎn)化的單總線通信，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸、控制均由單總線完成。

2.5WiFi模塊

WiFi模塊選取ATK-ESP8266。該模塊是ALIENTEK推出的一款高性能串口-無(wú)線模塊，采用串口與MCU通信，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能實(shí)現(xiàn)串口與WiFi之間的轉(zhuǎn)換。該模塊只需簡(jiǎn)單的串口配置就可傳輸數(shù)據(jù)。

3軟件設(shè)計(jì)

3.1MCU控制程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先初始化。初始化寄存器、中斷、定時(shí)器與各傳感器。初始化后啟動(dòng)各個(gè)傳感器進(jìn)行檢測(cè)，得到的數(shù)據(jù)發(fā)送給WiFi模塊，WiFi模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備上。當(dāng)檢測(cè)到氣體質(zhì)量嚴(yán)重到一定程度時(shí)，觸發(fā)報(bào)警模塊報(bào)警。程序流程如圖6左側(cè)所示。

單片機(jī)還要接收移動(dòng)客戶端發(fā)來(lái)的查詢和控制命令。這里通過(guò)中斷完成，當(dāng)WiFiI模塊接收到來(lái)自移動(dòng)端發(fā)來(lái)的命令后，通過(guò)串口發(fā)送到STM32，這時(shí)產(chǎn)生一個(gè)中斷，在中斷函數(shù)中完成命令，流程如圖6右側(cè)所示。

系統(tǒng)主函數(shù)部分程序如下：

SysInit（）；

while（1）

{

pm2_5=Get_Data_Pm25（）；

povc=Get_Data_povc（）；

If（Data_is_ok（pm2_5，povc））

Send_data（pm2_5，povc）；

else

Alert（pm2_5，povc）；endprint

Delay（）；

}

在處理中斷過(guò)程中，要用到嵌套向量中斷控制器NVIC。在STM32系統(tǒng)中，搶占式優(yōu)先級(jí)（NVIC_IRQChannelPreemptionPriority）和響應(yīng)優(yōu)先級(jí)（NVIC_IRQChannelSubPriority）共同構(gòu)成了一個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)?？赏ㄟ^(guò)嵌套中斷向量控制器（NVIC）來(lái)分配先占優(yōu)先級(jí)和次占優(yōu)先級(jí)數(shù)量：

NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure；

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0；

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0

通過(guò)上段代碼就可將中斷的搶占優(yōu)先級(jí)和響應(yīng)優(yōu)先級(jí)都設(shè)置為0。

3.2Android客戶端設(shè)計(jì)

手機(jī)客戶端程序由登陸模塊和通信模塊組成。

在登陸模塊中使用Android系統(tǒng)提供的SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)。Android提供了一個(gè)名為SQLiteDatabase的類(lèi)，該類(lèi)封裝了一些操作數(shù)據(jù)庫(kù)的API，使用該類(lèi)可進(jìn)行數(shù)據(jù)的添加（Create）、查詢（Retrieve）、更新（Update）和刪除（Delete）等操作。利用該數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)建名為“user.db”的代碼：openOrCreateDatabase（String path，SQLiteDatabae.CursorFactory factory）。其中path為存放數(shù)據(jù)庫(kù)路徑，第2項(xiàng)通常置為null。利用Android提供的API可對(duì)表和數(shù)據(jù)方便地操作。

在通信模塊，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，采用Socket通信，它是基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。基于TCP/IP的Socket類(lèi)型主要有流套接字和數(shù)據(jù)包套接字。流套接字提供了可靠的字節(jié)流服務(wù)，在通信之前要先建立連接，速度比較慢。數(shù)據(jù)報(bào)套接字使用UDP協(xié)議，面向無(wú)連接的數(shù)據(jù)傳輸，速度比較快。

客戶端工作流程如圖7所示。

客戶端程序主要代碼如下：

socketAddress=new InetSocketAddress（strIP，SERVER_PORT）；

socket = new Socket（）；

socket.connect（socketAddress， SERVER_PORT）；

inputStream = socket.getInputStream（）；

outputStream = socket.getOutputStream（）

該程序創(chuàng)建套接字并連接服務(wù)器。其中，strIP是服務(wù)器的IP地址，SERVER_PORT是服務(wù)器的端口號(hào)，連接好后即可與服務(wù)器進(jìn)行通信。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將測(cè)試系統(tǒng)放在室內(nèi)，打開(kāi)之后通過(guò)手機(jī)客戶端固定間隔時(shí)間查看PM2.5濃度和POVC濃度，結(jié)果如圖8和圖9所示。

5結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)能檢測(cè)室內(nèi)空氣中PM2.5、有害氣體濃度及室內(nèi)溫濕度，及時(shí)發(fā)送到Android客戶端顯示，并能對(duì)嚴(yán)重污染空氣發(fā)出警報(bào)。系統(tǒng)可靠性高、成本低，能滿足人們對(duì)空氣質(zhì)量檢測(cè)的需要。

系統(tǒng)還有不足之處，如該系統(tǒng)只對(duì)空氣質(zhì)量起到檢測(cè)作用，無(wú)法對(duì)室內(nèi)空氣作凈化處理，這是需要改進(jìn)的地方。

參考文獻(xiàn)：

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