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        室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

        2022-06-29 01:25:30吳梅梅郝越鑫王德永
        關(guān)鍵詞:工作電壓終端設(shè)備室內(nèi)空氣

        吳梅梅,郝越鑫,王德永

        (1.河北軟件職業(yè)技術(shù)學院,河北 保定 071000;2.芯華創(chuàng)(北京)電子科技有限公司,北京 100000)

        0 引言

        近年來,隨著我國社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展,工業(yè)化、城市化進程日益加快,但也使得室內(nèi)環(huán)境污染越來越嚴重,不僅危害到人們的身體健康,也造成巨大經(jīng)濟損失,所以長期動態(tài)監(jiān)測室內(nèi)空氣質(zhì)量顯得尤為重要。

        目前的監(jiān)測系統(tǒng)普遍存在室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測目標單一、使用門檻高、價格昂貴等缺點,本系統(tǒng)基于智能傳感器模組可以做到通過WIFI 和MCU接入家庭無線網(wǎng)遠程監(jiān)控、查詢。該室內(nèi)空氣質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)基于無線傳輸系統(tǒng),將PM2.5、CO2、溫度、濕度、甲醛、TVOC、噪聲等監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳到云平臺,所有監(jiān)測參數(shù)可根據(jù)項目要求做實際調(diào)整,數(shù)據(jù)經(jīng)后臺采集分析后自動在PC 端、移動端進行展示和超標報警。該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用在智能家庭、智慧樓宇、生產(chǎn)車間等有特殊環(huán)境要求的室內(nèi)空間,結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境質(zhì)量平臺,將各監(jiān)測分散點統(tǒng)一監(jiān)控,對環(huán)境監(jiān)測實現(xiàn)數(shù)字化信息管理,增強管控效果的同時也節(jié)省了人力、物力等經(jīng)濟成本。

        1 主要研究內(nèi)容

        本項目分為硬件系統(tǒng)和后端軟件云系統(tǒng)兩部分。硬件系統(tǒng)主要負責溫濕度、甲醛、TVOC、PM2.5等參數(shù)的感知和數(shù)據(jù)的遠端傳輸,后端軟件傳感云系統(tǒng)負責數(shù)據(jù)端的處理顯示和統(tǒng)計管理。

        1.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

        系統(tǒng)整體架構(gòu)主要由系統(tǒng)平臺、WIFI 無線路由器和多個區(qū)域傳感器模塊組成,如圖1 所示。

        圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

        其運行流程是系統(tǒng)由多個傳感器節(jié)點通過WIFI 無線路由器將采集到的室內(nèi)空氣的溫濕度和空氣質(zhì)量信息傳到系統(tǒng)平臺,很好的實現(xiàn)室內(nèi)溫濕度和空氣質(zhì)量的感知和檢測,后臺可以通過PC 或者手機端APP 登錄到系統(tǒng)平臺查詢到前臺采集的數(shù)據(jù)信息。

        1.2 硬件系統(tǒng)框圖

        硬件系統(tǒng)主要由MCU 控制器、傳感器、電源處理及WIFI 模塊四大部分組成,如圖2 所示。

        圖2 硬件系統(tǒng)框圖

        1.3 STM32F030F4P6 MCU 控制器

        系統(tǒng)中控制器采用意法半導(dǎo)體公司的STM32F030F4P6 為32-bit Cortex TM-M0 微控制器。該控制器具有豐富的外設(shè)配置,如工作電壓支持3.3V,主頻可以工作到48MHz,16K Flash,4KSRAM,1 路 硬 件I2C,1 路UART 串 口,1 路ADC 和TSSOP20 封裝。

        1.4 傳感器各單元

        本系統(tǒng)用到3 類傳感器,均采用盛思銳公司的相關(guān)產(chǎn)品,分別為溫濕度傳感器SHT41,TVOC空氣質(zhì)量監(jiān)控SGP30,監(jiān)測甲醛的模塊SFA30。

        溫濕度傳感器使用的是盛思銳的第四代溫濕度傳感器產(chǎn)品SHT41,這是一款高精度的工業(yè)級別產(chǎn)品,其中相對濕度測量范圍為0~100%RH,測量精度可以達到±2%RH,分辨率為0.01%RH,響應(yīng)時間t63%,典型值為4s,長期漂移<0.25%FH/y,溫度測量范圍為-40℃~125℃,精度可以達到±0.2℃,分辨率為0.01℃,響應(yīng)時間t63%典型值為2s,長期漂移<0.03℃/y。要想得到更好的傳感器特性推薦傳感器工作再溫度5°C~60°C 溫度范圍和20%RH~80%RH 濕度范圍,如果長期工作在規(guī)定的正常工作范圍外的環(huán)境會加速傳感器的老化,影響傳感器工作壽命。SHT41 對外硬件接口I2C總線工作范圍為2.3V~5.5V,同時可以支持3V 和5V 供電系統(tǒng)。I2C 器件地址為0x44,本系統(tǒng)中SFA30 采用3V I2C 電平。

        TVOC 傳感器SGP30 用于監(jiān)測室內(nèi)空氣質(zhì)量,SGP30 是第一款單一芯片上集成多個傳感元件的金屬氧化物氣體傳感器,可提供空氣質(zhì)量的詳細信息,如二氧化碳(CO2)和揮發(fā)性有機化合物(VOC)的含量。其原理是基于H2 和乙醇的檢測等效測量環(huán)境中CO2和VOC 的濃度,SGP30 的最大工作范圍在溫度5℃~55℃和絕對濕度4g/m2~30g/m3,但是推薦傳感器工作在溫度5℃~30℃和小于絕對濕度30g/m3,超出此范圍會加速傳感器的老化。SGP30 對外硬件接口I2C 總線工作電壓為1.8V,I2C 器件地址為0x58。

        甲醛監(jiān)測傳感模塊SFA30 工作電壓支持3V 和5V 系統(tǒng),內(nèi)置溫濕度補償,其測量范圍為0~1000ppb,測量精度±20ppb 或測量值的±20%,對外接口同時支持UART 和I2C。I2C 器件地址為0x5D。本系統(tǒng)中SFA30 采用3V I2C 電平。

        1.5 電源系統(tǒng)實現(xiàn)

        系統(tǒng)由1 節(jié)4.2V 可充電18650 鋰電池供電,電池容量為1200mAH。充電方案采用賽微微電子有限公司Cellwise 的CW6305,其最高可以支持500mA 充電。參考電源處理架構(gòu)如圖3 所示。圖4為CW6305 內(nèi)部功能框圖。

        圖3 電源處理架構(gòu)圖

        CW6305 芯片內(nèi)部具有路徑選擇器,當有外部電源DC/VBUS 供電時,通過Vsys 引腳供電到Vsys 整個后級系統(tǒng)即圖4 中路徑1,相反當電源DC/VBUS 不在位時,系統(tǒng)通過電池對后級系統(tǒng)供電即圖4 中路徑2,另外路徑3 是外部電源DC 或者VBUS 供電時的電池充電路徑。

        圖4 CW6305 內(nèi)部功能框圖

        后級電路中選用了Cellwise 的兩片CW6601分別產(chǎn)生3.3V 和1.8V 電平輸出。CW6601 為超級靜態(tài)功耗的DC/DC 降壓芯片,其中3.3V 給MCU STM32F030F4P6 和上文提到的工作在3.3V 電壓傳感器的SHT41 和SFA30 供電,同時給工作在1.8V 的SGP30 供電。圖5 為CW6601 典型應(yīng)用圖,圖6 為輸出真值表圖。芯片可以通過引腳VSEL1,VSEL2,VSEL3 設(shè)置輸出具體電平。當VSEL1=VSEL3=0,VSEL2=1,CW6601 配置輸出1.8V;當VSEL1 =VSEL2 =VSEL3 =1,CW6601 配 置 輸 出3.3V。

        圖5 CW6601 典型應(yīng)用圖

        圖6 CW6610 輸出電平設(shè)置真值表

        1.6 硬件設(shè)計電平轉(zhuǎn)換實現(xiàn)

        傳感器SGP30 工作電壓為1.8V 工作電壓,而MCU STM32F030F4P6 使用的是3.3V 供電,為了保障IIC 接口電平SDA 和SCL 工作正常,引入電平轉(zhuǎn)換電路,實現(xiàn)電平由3.3V 到1.8V 的轉(zhuǎn)換,如圖7 所示。

        圖7 電平轉(zhuǎn)換電路

        1.7 WIFI 模塊

        WIFI 模塊采用樂鑫公司的ESP-WROOM-5V2L 模組實現(xiàn),因為ESP-WROOM-5V2L 模組支持IEEE802.11 b/g/n,采用PCB 板載天線,可以通過UART 接口與其他設(shè)備進行通信,并且該款模組內(nèi)置3.3V LDO 穩(wěn)壓器及電平轉(zhuǎn)換電路,接口邏輯電壓可支持5V/3.3V 兼容,其外圍接口電路如圖8 所示。

        圖8 ESP-WROOM-5V2L 外圍設(shè)計圖

        2 軟件實現(xiàn)

        本系統(tǒng)軟件實現(xiàn)包括兩部分,一是硬件系統(tǒng)中的嵌入式軟件,二是服務(wù)器端(本地服務(wù)器或者云端服務(wù)器)進行監(jiān)測數(shù)據(jù)的參數(shù)處理分析及存儲。系統(tǒng)支持兩個功能:(1)支持Boot Loader 固件升級;(2)支持App 遠端查詢監(jiān)控當前及歷史傳感器參數(shù),從而了解室內(nèi)環(huán)境情況。該系統(tǒng)使用嵌入式C 語言進行開發(fā),IDE 開發(fā)環(huán)境使用Keil C。系統(tǒng)主要完成兩大任務(wù),即傳感器采集和數(shù)據(jù)通信,具體流程如圖9 所示。

        圖9 軟件流程圖

        傳感器采集任務(wù)。系統(tǒng)每間隔5 分鐘啟動一次,采集所有傳感器數(shù)據(jù)(包括溫濕度,甲醛和TVOC)并存儲本地。每一種傳感器采集數(shù)據(jù)最多存儲10 組數(shù)據(jù),超過10 組數(shù)據(jù)進行覆蓋。軟件系統(tǒng)支持報警閾值設(shè)置(1 級報警和2 級報警燈光指示),當超出設(shè)置閾值時具有2 個紅色LED 光指示輸出功能,并根據(jù)采集數(shù)據(jù)判斷是否清除報警指示燈光狀態(tài)。

        通信任務(wù)。通過WIFI 喚醒終端設(shè)備。具體工作流程是:在終端設(shè)備通過WIFI 連接到路由器(AP)從而加入局域網(wǎng)或者Internet,在同一個網(wǎng)絡(luò)中,通過其它終端設(shè)備(如PC 或者手機)給喚醒終端設(shè)備發(fā)送喚醒數(shù)據(jù)包,從而實現(xiàn)遠程喚醒終端。在終端設(shè)備進入休眠狀態(tài)時候通過WIFI 喚醒終端設(shè)備,基本原理是給休眠的終端主控一個喚醒信號,使終端設(shè)備從休眠狀態(tài)退出,從而節(jié)省終端功耗。

        3 結(jié)語

        本系統(tǒng)進行了室內(nèi)空氣質(zhì)量的監(jiān)測系統(tǒng)的研究與實現(xiàn),并可以授權(quán)用戶通過遠端終端實時訪問傳感器數(shù)據(jù),整個系統(tǒng)成本較低且簡單實用,對室內(nèi)空氣質(zhì)量的監(jiān)控具有一定的現(xiàn)實意義,同時很容易擴展到其他應(yīng)用場景。

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