鄭 洋，宋振凱，趙 婧

（西京學(xué)院，陜西 西安 710123）

0 引言

隨著科技的不斷發(fā)展，人們對環(huán)境愈加重視，環(huán)境監(jiān)測也更加重要。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳感器元件的發(fā)展，室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測方法實現(xiàn)了更大的突破，監(jiān)測系統(tǒng)變得更加智能，實時性和有效性得到了顯著提高［1］。本系統(tǒng)設(shè)計以STM32為控制核心，由數(shù)據(jù)采集和控制兩部分組成，使用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及單片機控制技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)在各種環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集和處理工作。其中，多種環(huán)境參數(shù)的采集，主要包括溫度、光照、濕度、CO2濃度等參數(shù)［2］；控制部分對異常環(huán)境做出處理，可以有效地將環(huán)境參數(shù)調(diào)整到正常值。系統(tǒng)整體設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計

1 數(shù)據(jù)采集模塊電路設(shè)計

數(shù)據(jù)采集單元包括用于溫濕度測量的傳感器、檢測環(huán)境CO2濃度的傳感器、檢測光線亮度的光敏電阻傳感器［3］，數(shù)據(jù)采集模塊如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊

1.1 光線亮度采集模塊

該模塊主要用于光線亮度檢測，主要用于對環(huán)境的光亮度檢測。光敏電阻模塊采集環(huán)境光線亮度參數(shù)后，存入STM32采集模塊，采集模塊通過藍牙傳輸模塊將獲得的數(shù)據(jù)傳遞到控制部分進行判斷，從而決定是否進行光遮擋、光補償或不做處理。4針光敏電阻傳感器模塊的工作電壓3.3 V~5 V；輸出形式為DO數(shù)字開關(guān)量輸出(0和1）和AO模擬電壓輸出；設(shè)計中使用寬電壓LM393比較器，CO2傳感器的CO2SCL和CO2SDA與STM32核心板連接。

1.2 CO2濃度采集模塊

SGP30是一款數(shù)字多像素氣體傳感器，具有數(shù)字I2C接口、溫度控制微型熱板和兩個預(yù)處理的室內(nèi)空氣質(zhì)量信號。主要用于采集環(huán)境中的CO2濃度，當(dāng)CO2濃度過高時，控制繼電器關(guān)閉CO2釋放設(shè)備；當(dāng)CO2濃度過低時，通過繼電器打開CO2補償器開關(guān)，增加CO2濃度。由于氣體類傳感器比較容易受環(huán)境影響，測量數(shù)據(jù)時會出現(xiàn)波動，初始化完成后，剛開始的讀出數(shù)據(jù)波動會比較大，一段時間后逐漸趨于穩(wěn)定。SGP30模塊開機需要一定時間的初始化，在初始化階段讀取的CO2濃度為400 ppm，TVOC為0 ppd且恒定不變。因此，上電后，每隔一段時間讀取一次SGP30模塊的值，如果CO2濃度為400 ppm，TVOC為0 ppd，發(fā)送“正在檢測中...”，直到SGP30模塊初始化完成。

1.3 溫濕度采集模塊

溫濕度傳感器的SHT20 SCL和SHT20 SDA接口與STM32核心板連接，主要功能是采集環(huán)境溫度和濕度兩個參數(shù)，模塊在核心板上主要實現(xiàn)溫濕度計算、溫濕度測量以及對數(shù)據(jù)的檢查。傳感器內(nèi)部設(shè)置的分辨率分別為相對濕度12位和溫度14位，不論基于哪種分辨率，相對濕度RH都可以根據(jù)SDA輸出的相對濕度信號SRH通過公式(1）計算獲得(結(jié)果以%RH表示）。

不論基于哪種分辨率，溫度T都可以通過將溫度輸出信號ST代入到公式(2）計算得到(結(jié)果以溫度℃表示）。

2 控制模塊設(shè)計

控制部分采用全彩RGB模塊、有源蜂鳴器模塊、4路5 V帶隔離繼電器模塊、SG90舵機。全彩RGB模塊主要實現(xiàn)光補償功能，有源蜂鳴器實現(xiàn)系統(tǒng)警報功能，SG90舵機和繼電器模塊實現(xiàn)對外部設(shè)備的控制?？刂贫说淖饔檬秦撠?zé)接收采集端的數(shù)據(jù)，同時藍牙模塊為從機負責(zé)信號傳輸，如圖3所示。

圖3 控制模塊

2.1 光補償模塊

全彩模塊主要實現(xiàn)光補償功能，當(dāng)光敏傳感器采集到環(huán)境光的強弱后，通過藍牙將數(shù)據(jù)傳送到控制模塊，控制模塊對當(dāng)前光強度進行判斷，如果光強度較弱，則觸發(fā)RGB燈模塊增強光強。RGB SCL和RGB SDA接口與STM32核心板連接，RGB燈的數(shù)據(jù)處理與發(fā)送主要通過以下3個值的更改進行操作：r－紅色值(0~255）、g－綠色值(0~255）和b－藍色值(0~255）。

2.2 光遮擋模塊

該模塊主要用于實現(xiàn)光遮擋功能，當(dāng)環(huán)境光強度過高，超過預(yù)設(shè)值，控制板驅(qū)動舵機轉(zhuǎn)動，打開光遮擋功能，實現(xiàn)光亮度的調(diào)節(jié)。將舵機的AO接口和STM32核心板連接，控制電路板接收信號線的控制信號AO，控制電機轉(zhuǎn)動帶動齒輪組，減速后傳動至輸出舵盤，舵機的輸出軸和位置反饋電位計相連，舵盤轉(zhuǎn)動的同時帶動位置反饋電位計，電位計輸出電壓信號至控制電路板反饋，控制電路板根據(jù)所在位置決定電機的轉(zhuǎn)動方向和速度，從而達到目標(biāo)停止。

2.3 風(fēng)機、噴淋及CO2補償模塊

該模塊使用繼電器開關(guān)模擬風(fēng)機、噴淋及CO2補償部分的開關(guān)，可以更有效地更換、維修設(shè)備。當(dāng)環(huán)境溫濕度及CO2濃度超出系統(tǒng)設(shè)定的閾值，繼電器開關(guān)打開，啟動風(fēng)機降溫、噴淋系統(tǒng)增加空氣濕度，啟動CO2補償系統(tǒng)增加CO2濃度。

2.4 藍牙數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)采集模塊和控制模塊之間采用藍牙組網(wǎng)方式傳輸信號，設(shè)計采用HC－05藍牙模塊，將采集模塊采集到的數(shù)據(jù)通過藍牙傳輸?shù)娇刂撇糠郑煽刂撇糠诌M行數(shù)據(jù)的處理及后續(xù)的操作。電路部分，將HC05＿TX(串口輸出）和HC05＿RX(串口輸入）與核心板串口收發(fā)接口連接，藍牙串口波特率需要配置為同樣的默認值38 400。

3 系統(tǒng)流程

3.1 采集板流程

初始化藍牙(串口）、溫濕度(IIC）、光敏電阻(ADC）、CO2(IIC）；完成初始化后，系統(tǒng)通過傳感器獲取溫濕度數(shù)據(jù)、光敏電阻數(shù)據(jù)、CO2數(shù)據(jù)，并將得到的數(shù)據(jù)通過藍牙模塊發(fā)送到輸出板。

3.2 控制板程序流程

初始化打印串口、協(xié)議；初始化1 ms的基準(zhǔn)定時器、9600波特率的串口以及數(shù)據(jù)；初始化藍牙串口、可調(diào)RGB燈、蜂鳴器報警、繼電器、舵機。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)功能較強、性能穩(wěn)定可靠，成本低、操作簡單方便，并具有以下3個特點。

(1）可以同時監(jiān)控多環(huán)境參數(shù)。當(dāng)環(huán)境參數(shù)超過設(shè)定閾值時，蜂鳴器警報提示異常環(huán)境參數(shù)，控制端做出相應(yīng)的措施，以有效防止環(huán)境參數(shù)異常情況的發(fā)生［4］。

(2）設(shè)定傳感器參數(shù)范圍后，系統(tǒng)開啟自動控制，自行檢測數(shù)據(jù)，并通過藍牙傳輸部分及時將參數(shù)信息反饋給后臺采集配置程序，當(dāng)產(chǎn)生異常數(shù)據(jù)時，控制部分通過電路對異常做出處理。

(3）將數(shù)據(jù)采集部分和控制部分分離，采用模塊化硬件設(shè)計，有利于各部分的升級和維修，極大地簡化了設(shè)計和維修難度。

本系統(tǒng)的后期發(fā)展方向，主要有以下幾方面的思考：(1）隨著電子傳感器技術(shù)的發(fā)展，傳感器在靈敏度、準(zhǔn)確度、反應(yīng)速度等方面已遠遠超過傳統(tǒng)傳感器；隨著材料技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)及計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，更加推動了電子傳感器技術(shù)的發(fā)展［5］。因此，采用精度更高的傳感器對設(shè)備進行升級，可以達到更精確的測試結(jié)果。(2）進一步提高系統(tǒng)集成度，精簡設(shè)計，增強系統(tǒng)的可靠性。(3）優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸方式，提高數(shù)據(jù)傳輸效率，當(dāng)后期使用大量相同設(shè)備對大范圍環(huán)境進行采集時，有效提高數(shù)據(jù)的利用率。(4）增加有線及無線數(shù)據(jù)傳輸方式，提高信號傳遞的穩(wěn)定性，防止信號干擾過多時造成系統(tǒng)異常。