邵英淼，李晶晶，馬麗娜，王 楠，高 瑞

（沈陽(yáng)城市建設(shè)學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110167）

現(xiàn)階段，室內(nèi)空氣質(zhì)量被人們?cè)絹?lái)越多地關(guān)注，在無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)飛速發(fā)展的今天，人們也在考慮將該技術(shù)應(yīng)用到空氣質(zhì)量的檢測(cè)領(lǐng)域當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)、控制、改善的目的，以降低空氣污染對(duì)人體健康的損害。

本系統(tǒng)采用STM32F103單片機(jī)作為主控部件，通過(guò)各個(gè)傳感器，比如溫度傳感器、濕度傳感器等相互結(jié)合的檢測(cè)方式，對(duì)室內(nèi)可吸入顆粒物質(zhì)量濃度、溫度、相對(duì)濕度等進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和智能調(diào)控，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各種空氣質(zhì)量指標(biāo)，具有抗干擾能力強(qiáng)、低功耗、便攜式、智能化等特點(diǎn)[1-2]。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)、動(dòng)態(tài)監(jiān)控、指標(biāo)顯示等功能，具有功耗低、便攜、智能等優(yōu)點(diǎn)。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架如圖1所示。硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)是由基于無(wú)線(xiàn)通信的多功能室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)的兩大核心組成。

在硬件設(shè)計(jì)中，主要涉及微控制器核心模塊、電源模塊、藍(lán)牙模塊、空氣質(zhì)量檢測(cè)模塊、全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（Global System for Mobile Communication，GSM）無(wú)線(xiàn)通信模塊、液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）顯示模塊、按鍵控制模塊和語(yǔ)音預(yù)警模塊的設(shè)計(jì)。其中，按鍵控制模塊負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)信息的輸入及顯示結(jié)果的輸出，比較重要的數(shù)據(jù)信息包括CH2O和PM2.5等。在實(shí)際的數(shù)據(jù)信息超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)，會(huì)觸發(fā)報(bào)警裝置，以聲音的形式提醒使用者室內(nèi)空氣質(zhì)量存在不足，并通過(guò)LCD顯示模塊顯示。最后，可以使用GSM通信模塊，以短消息的形式將空氣質(zhì)量的相關(guān)情況發(fā)送到使用者的移動(dòng)終端設(shè)備，形成智能聯(lián)動(dòng)。

1.1 微控制器核心模塊

本模塊采用STM32F103嵌入式控制芯片為核心控制裝置，以控制各個(gè)系統(tǒng)模塊的協(xié)調(diào)工作。首先，控制傳感器裝置收集溫濕度及CH2O，PM2.5等的質(zhì)量濃度信號(hào)；其次，通過(guò)放大電路和模擬/數(shù)字（Analog/Digital，A/D）轉(zhuǎn)換將收集到的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換[1]。裝置將其發(fā)送到單片機(jī)，然后單片機(jī)做出決定并發(fā)出相應(yīng)的指令來(lái)顯示、報(bào)警和控制房間的空氣質(zhì)量。

圖1 整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

1.2 無(wú)線(xiàn)通信模塊

無(wú)線(xiàn)通信模塊的核心技術(shù)是GSM技術(shù)，也是當(dāng)前移動(dòng)通信系統(tǒng)中最成熟、使用最廣泛的技術(shù)[2]。GSM模塊具有基于GSM網(wǎng)絡(luò)所有通信的基本功能，例如，發(fā)送短信息服務(wù)（Short Message Service，SMS）文本消息、語(yǔ)音呼叫、GPRS數(shù)據(jù)傳輸。

無(wú)線(xiàn)通信模塊使用德國(guó)西門(mén)子工業(yè)GSM模塊TC35i，是支持中文短消息的工業(yè)級(jí)GSM模塊，適用于EGSM900和GSM1800雙頻。電流消耗：休眠狀態(tài)為3.5 mA，空閑狀態(tài)為25 mA，傳輸狀態(tài)為300 mA（平均值），峰值2.5 A；可以使用GSM通信模塊，以短消息的形式將空氣質(zhì)量的相關(guān)情況發(fā)送到使用者的移動(dòng)終端設(shè)備，形成智能聯(lián)動(dòng)。

1.3 室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)模塊

該模塊由3部分組成：溫濕度檢測(cè)電路、CH2O質(zhì)量濃度檢測(cè)電路和PM2.5檢測(cè)電路。其中，溫濕度檢測(cè)基于以單總線(xiàn)技術(shù)為核心的DHT11傳感器，無(wú)需外部A/D轉(zhuǎn)換模塊，可以同時(shí)傳輸時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)的雙向信號(hào)線(xiàn)[3]。

CH2O質(zhì)量濃度檢測(cè)電路使用TP-4型常溫氣體傳感器。清潔空氣不同溫濕度狀態(tài)下的電阻值Rs，是傳感器判斷污染程度的重要依據(jù)，尤其是對(duì)低質(zhì)量濃度的空氣污染物最為敏感[4]。

PM2.5檢測(cè)電路使用Sharp公司的GP2Y10AU0F灰塵傳感器。主要工作原理是非接觸式測(cè)量，技術(shù)核心為光測(cè)量技術(shù)，檢測(cè)對(duì)象為煙草、花粉和粉塵的質(zhì)量濃度，具有使用成本低、抗干擾能力強(qiáng)、功率低、效能高的特點(diǎn)。

1.4 藍(lán)牙2.4 G模塊

藍(lán)牙2.4 G模塊選用深圳市藍(lán)嵌科技有限公司的CC2541藍(lán)牙模塊，內(nèi)置256 Kbyte可插除存儲(chǔ)器，能提供編程輸入/輸出（Programming Input/Output，PIO）模型、通用異步收發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）、串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）、通用串行總線(xiàn)輸出Universal Serial Bus，USB）接口工作頻段2.402～2.480 GHz，接受靈敏度達(dá)到-88 dB，最大可達(dá)-94 dB[5]。STM32F103系統(tǒng)通過(guò)藍(lán)牙模塊與主機(jī)通信。主機(jī)能實(shí)時(shí)顯示測(cè)量數(shù)據(jù)，并通過(guò)液晶顯示器顯示出來(lái)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要使用Keil軟件進(jìn)行C語(yǔ)言編程。系統(tǒng)主程序運(yùn)行在STM32F103最小系統(tǒng)中。使用時(shí)，先初始化設(shè)備，以完成參數(shù)的設(shè)定，隨后再對(duì)各個(gè)功能模塊的功能函數(shù)進(jìn)行調(diào)試，最終要實(shí)現(xiàn)能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的采集、分析、輸出、預(yù)警以及信息互聯(lián)的智能化功能。

當(dāng)傳感器能夠正常工作后，初始化程序會(huì)啟動(dòng)，如果無(wú)法正常啟動(dòng)，則傳感器會(huì)顯示錯(cuò)誤信號(hào)。如果正常，則STM32F103單片機(jī)讀取每個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)信號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，確定是否超過(guò)預(yù)設(shè)閾值。超過(guò)閾值會(huì)進(jìn)行報(bào)警，報(bào)警內(nèi)容會(huì)通過(guò)GSM無(wú)線(xiàn)通信模塊發(fā)送到使用者的移動(dòng)終端設(shè)備，而且發(fā)送的內(nèi)容會(huì)被顯示和儲(chǔ)存到程序當(dāng)中，為以后進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展保留數(shù)據(jù)支持。當(dāng)流程完成后，系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)行下一個(gè)流程，這是一個(gè)反復(fù)的過(guò)程。系統(tǒng)軟件流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件流程

3 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)充分利用STM32F103芯片、多種傳感器與GSM無(wú)線(xiàn)通信模塊等之間的密切配合，基于無(wú)線(xiàn)通信方便、快捷及功耗低的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)室內(nèi)環(huán)境信息數(shù)據(jù)、報(bào)警和智能調(diào)控功能，讓系統(tǒng)達(dá)到高效、高速和高精確度的目的，滿(mǎn)足人們對(duì)空氣質(zhì)量檢測(cè)的需求。