曹督尊 劉國彥 趙金才 甘敏 汪禹

摘 要

室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)是智能家居不可缺少的組成部分。為了實現(xiàn)實時監(jiān)測室內(nèi)空氣質(zhì)量，本文介紹了一種基于STM32作為核心處理器的系統(tǒng)設(shè)計，該系統(tǒng)采用多種傳感器，能夠多點、實時采集室內(nèi)溫度、濕度、粉塵密度、VOC（揮發(fā)性有機化合物）等有害氣體濃度等數(shù)據(jù)信息，通過Wi-Fi無線模塊，將室內(nèi)空氣數(shù)據(jù)信息穩(wěn)定地傳輸?shù)诫娔X或者手機等客戶端。

關(guān)鍵詞

STM32;室內(nèi)空氣數(shù)據(jù)信息;VOC有害氣體濃度

中圖分類號： TP274 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.16.010

Abstract

Indoor-air-quality monitoring system is one of the indispensable parts of smart home.In order to achieve real-time monitoring of indoor air quality， this article introduces a system design based on STM32.The system uses STM32 as the core processor with multiple sensors，which ?can collect real-time data information of indoor air quality in many different places.The data contains indoor temperature，humidity，dust density，concentration of VOC（Volatile Organic Compound） and other harmful gas.Through the Wi-Fi wireless module，the indoor air data information is stably transmitted to the computer or mobile phone and other clients.

Key Words

STM32;Indoor-air data information;VOC Concentration

0 引言

健康是人類進行一切活動的保障，而空氣質(zhì)量的好壞直接影響人體健康。研究表明，我國成年人平均每日室內(nèi)活動時間為20小時，城市居民和兒童則高于20小時（1）。也就是說，室內(nèi)的空氣質(zhì)量對于人體健康的影響遠遠高于戶外的空氣質(zhì)量。然而，室內(nèi)中使用的很多物品都會釋放VOC等有害氣體，嚴重危害人體健康（2）。因此，本文結(jié)合智能家居理念，提出一種能夠多點、實時監(jiān)測室內(nèi)空氣質(zhì)量的系統(tǒng)設(shè)計。該系統(tǒng)能夠精確采集室內(nèi)溫度、濕度、CO2濃度、粉塵密度（空氣顆粒物濃度）、VOC等有害氣體濃度等數(shù)據(jù)信息，最終通過wi-fi無線模塊，將室內(nèi)空氣數(shù)據(jù)信息穩(wěn)定地傳輸?shù)诫娔X或者手機等客戶端（3）。該系統(tǒng)監(jiān)測項目種類繁多、測量精準、多點同步檢測、穩(wěn)定性好、成本低廉、人機交互簡單、有一定預(yù)警與報警措施。人們可以根據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，采取下一步措施來改善室內(nèi)空氣質(zhì)量或凈化室內(nèi)空氣。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

該系統(tǒng)主要由電源模塊、核心處理器、數(shù)據(jù)采集模塊、液晶顯示模塊、Wi-Fi無線收發(fā)模塊和客戶端六部分組成。在整個系統(tǒng)中，電源模塊為其他各模塊供電，STM32F103作為微處理器（4），主控芯片通過數(shù)據(jù)選擇電路傳感器與溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器、空氣VOC濃度傳感器等多種傳感器建立串口連接，實現(xiàn)對室內(nèi)溫度、濕度、空氣顆粒物濃度、CO2濃度、空氣VOC濃度等空氣質(zhì)量參數(shù)進行監(jiān)測。開發(fā)板通過TFT液晶顯示屏，將項目檢測出相應(yīng)的數(shù)值顯示在TFT液晶顯示屏上（5），配合ESP8266無線模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄钟蚓W(wǎng)服務(wù)器端，用戶可通過電腦或者手機等客戶端遠程查看實時室內(nèi)環(huán)境參數(shù)。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件設(shè)計主要包括：STM32F103微處理器、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、液晶顯示模塊、Wi-Fi無線收發(fā)模塊。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2。

2.1 STM32F103微處理器

微處理器（MCU）采用意法半導(dǎo)體STM32F103VCT6芯片，如圖3所示內(nèi)核采用ARM 32位Cortex-M 3處理器，工作頻率高達72MHz;內(nèi)存為256KB的Flash程序存儲器，48KB的SRAM，足以存儲或處理用戶程序;2個12位AD、外部通道16個、內(nèi)部通道2個，內(nèi)置溫度傳感器;7個定時器包含1個高級定時器（PWM）;9個通信接口，包括2個U2C接口、3個USART、2個SPI、1個USB接口、1個CAN，可以滿足溫濕度、VOC濃度以及其他數(shù)據(jù)信息采集。該芯片具有低能耗，功能強大的特點。微處理器通過USB接口與外部系統(tǒng)連接，實現(xiàn)實時發(fā)送數(shù)據(jù)的目的。

2.2 傳感器數(shù)據(jù)采集模塊

2.2.1 溫濕度傳感器

系統(tǒng)采用ZS03傳感器（6），該傳感器是一款數(shù)字式溫濕度傳感器，采用高分子電阻型濕敏原件和NTC測溫元件。具有采集溫度時間快，精度相對于傳統(tǒng)溫度傳感器高，抗干擾能力強等特點。內(nèi)部集成ADC轉(zhuǎn)換電路，單總線數(shù)據(jù)傳輸?？梢栽O(shè)置問答模式或自動上傳模式。傳輸協(xié)議具備求和校驗位，提高了數(shù)據(jù)傳輸過程的安全可靠度。

2.2.2 CO2濃度傳感器

采用MH-Z19B傳感器（7），該二氧化碳濃度傳感器模塊通過自由擴散效應(yīng)，將所在環(huán)境中二氧化碳濃度傳遞到設(shè)備內(nèi)部，利用非色散紅外（NDIR）原理對空氣中存在的CO2進行高精度檢測，具有良好的選擇性、無氧氣依賴性和壽命長等特點。內(nèi)置溫度補償電路設(shè)計，可以進行小范圍的溫度自動補償。同時支持USART串口輸出、模擬輸出以及PWM輸出。該傳感器是將紅外吸收氣體檢測技術(shù)、精密光路設(shè)計和精良電路設(shè)計緊密結(jié)合而制作出的高性能傳感器，具有抗水汽干擾、不中毒等特性。

2.2.3 VOC濃度傳感器

采用ZP-16傳感器（8），該傳感器使用先進的片式后膜半導(dǎo)體氣敏元件，該氣敏元件對甲醛、一氧化碳、氨氣、酒精、香煙煙霧、香精等有機揮發(fā)氣體具有極高的靈敏度。元器件在出廠時已經(jīng)通過老化、標定、校準等流程。內(nèi)置ADC轉(zhuǎn)換電路，具有USART串口輸出。

模塊通訊分為主動上傳與問答式兩種工作模式，出場默認為主動上傳模式，模塊在主動上傳模式下，每經(jīng)過1s后，會從USART串口中發(fā)送一次當前環(huán)境中有機揮發(fā)物濃度值。

2.2.4 粉塵傳感器

采用ZH03B傳感器（9），該激光粉塵傳感器利用米氏散射原理，通過集成風(fēng)扇將附近空氣吸入，對空氣中存在的粉塵顆粒物進行高精度檢測。傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)精密，風(fēng)道設(shè)計科學(xué)，可以適應(yīng)多種外部風(fēng)道情況。內(nèi)部集成ADC模塊電路可以將數(shù)據(jù)通過USART串口或PWM輸出。

2.3 液晶顯示模塊

LCD液晶顯示屏由液晶面板、觸摸面板、液晶控制器芯片組成，在PCB底板上通過排線引出信號線，液晶顯示屏本身集成了控制器芯片，MCU可以直接將需要顯示的內(nèi)容通過排線傳輸給液晶控制器，從而控制面板顯示。

主控芯片開發(fā)板與液晶模塊通過排針連接，引腳連接如圖所示4。標號1圈出的是液晶引出8080信號的16位數(shù)據(jù)線，與MCU的I/O引腳直接相連，用于RGB信號數(shù)據(jù)的傳輸。標號2圈出的是8080的控制信號線，同樣與MCU的獨立I/O引腳直接相連，通過MCU控制LCD。特別地，液晶的復(fù)位引腳，即LCD_RESET引腳與MCU的復(fù)位引腳NRST直接相連。這樣可以讓MCU進行復(fù)位的同時，自動觸發(fā)液晶面板的復(fù)位引腳，同步復(fù)位。標號3圈出的是觸摸控制芯片XPT2046引出的SPI控制信號線。MCU可以通過SPI獲得觸摸信號。

2.4 Wi-Fi無線收發(fā)模塊

采用ESP8266串口（10），Wi-Fi無線收發(fā)模塊的ESP826 6-12E，ESP8266-12E是ESP8266-12的增強版，完善外圍電路，增強阻抗匹配，信號輸出更佳，無論是穩(wěn)定性還是抗干擾能力，都得到了大幅度的提升，引腳上也新增了六個IO口，SPI 口引出，開發(fā)更便捷。WIFI 模塊通過服務(wù)器送至APP。在遠程客戶端即可看到室內(nèi)空氣質(zhì)量信息。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 微處理中心軟件系統(tǒng)設(shè)計

微處理中心主程序流程圖如圖5所示，應(yīng)用程序采用C語言進行編寫。具體流程如下：

（1）系統(tǒng)上電后進行初始化;

（2）采集空氣質(zhì)量各參數(shù)信息;

（3）計算處理各參數(shù)信息;

（4）將處理后的數(shù)據(jù)信息傳給液晶顯示器;

（5）與閾值作對比，若數(shù)據(jù)信息接近或超出閾值，發(fā)出預(yù)警或報警;

（6）重復(fù)（2）～（5）操作。

3.2 室內(nèi)空氣監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

室內(nèi)空氣監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計主要是數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計，其流程圖如圖6所示。通過單總線數(shù)據(jù)傳輸，主控MCU發(fā)出起始信號，在傳感器響應(yīng)后延時直到數(shù)據(jù)線被拉低。延時到數(shù)據(jù)區(qū)域，判斷數(shù)據(jù)線電平，從而獲取傳輸數(shù)據(jù)。將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)依次放入全局數(shù)組中，結(jié)束通訊后進行數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)校驗并與傳輸數(shù)據(jù)校驗位對比。若一致則接收數(shù)據(jù)有效，否則重新傳輸數(shù)據(jù)。在編程時，對各傳感器模塊操作程序、串口通信程序、數(shù)據(jù)存儲程序以及液晶顯示程序均采用C語言編寫。通過程序轉(zhuǎn)換，能夠獲得室內(nèi)空氣溫濕度、VOC濃度、粉塵密度等數(shù)據(jù)信息。

4 結(jié)論

本文介紹了基于STM32的智能室內(nèi)無線空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計，其硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，并在教室、實驗室、住宅等多種場合進行測試，結(jié)果顯示該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多點、實時、準確監(jiān)測室內(nèi)溫濕度、粉塵密度、VOC等有害氣體濃度等數(shù)據(jù)信息，并通過wi-fi無線網(wǎng)絡(luò)，將室內(nèi)空氣數(shù)據(jù)信息穩(wěn)定地傳輸?shù)诫娔X或者手機等客戶端。該系統(tǒng)設(shè)計不但實現(xiàn)了準確、實時、穩(wěn)定地監(jiān)測室內(nèi)空氣質(zhì)量的目的，而且具有低成本、低能耗、人機交互簡單、便于升級維護等特點，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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