摘要：世界衛(wèi)生組織的統(tǒng)計資料表明，由于裝修房屋引發(fā)的環(huán)境污染，導(dǎo)致全球每年10萬人死于哮喘。為了解決家庭環(huán)境污染問題，文章設(shè)計了一種環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用STM32做主控芯片，使用傳感器采集環(huán)境中的溫濕度、光照強(qiáng)度、CO2和TVOC濃度等參數(shù)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)采集參數(shù)并與設(shè)定的參數(shù)閾值進(jìn)行對比，單片機(jī)判斷是否開啟相應(yīng)的反饋補(bǔ)償模塊，以保證環(huán)境內(nèi)的各參數(shù)數(shù)據(jù)處于相對穩(wěn)定狀態(tài)；最后單片機(jī)通過無線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，同時上位機(jī)可以對下位機(jī)發(fā)送控制命令，實現(xiàn)對整個環(huán)境的閉環(huán)控制。系統(tǒng)經(jīng)過測試表明：當(dāng)前測試環(huán)境內(nèi)的各項參數(shù)趨于穩(wěn)定，環(huán)境狀態(tài)良好，對溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度和TVOC濃度等參數(shù)進(jìn)行了檢測和調(diào)控，基本達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：STM32；環(huán)境監(jiān)測；閉環(huán)控制

中圖分類號：TP29文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

在出現(xiàn)了“水污染”“固體廢棄物污染”與“噪聲污染”后，人類就出現(xiàn)了第三個環(huán)境問題——“大氣污染”［1］。據(jù)世界衛(wèi)生組織的統(tǒng)計資料表明，由于裝修房屋引發(fā)的環(huán)境污染，導(dǎo)致全球每年有10萬人引發(fā)哮喘而死，其中孩子占35%［2］。相關(guān)研究表明，新家具和家居用品中揮發(fā)的氣體是環(huán)境空氣污染的主要源頭，其中有毒氣體的污染物質(zhì)占68%，包含甲醛、苯、氨、揮發(fā)性的有機(jī)化合物TVOC、放射性氡等，揮發(fā)出接近300多種物質(zhì)，一旦人體吸入會產(chǎn)生各種疾病［3］。

本針對上述問題，設(shè)計一款環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)旨在針對環(huán)境中的物理量進(jìn)行檢測和處理，能有效檢測不同環(huán)境下的各個參量是否達(dá)標(biāo)，同時針對未能達(dá)標(biāo)的參量進(jìn)行反饋補(bǔ)償控制。

1 總體設(shè)計方案

在特定環(huán)境下，系統(tǒng)通過傳感器對各個參量進(jìn)行檢測，并將檢測數(shù)據(jù)送到核心控制器；核心控制器將傳感器采集的數(shù)值與設(shè)定好的數(shù)值進(jìn)行對比，并根據(jù)對比結(jié)果開啟/關(guān)閉相應(yīng)的反饋補(bǔ)償設(shè)備，直至環(huán)境參數(shù)回歸到設(shè)定好的閾值區(qū)間內(nèi)為止；核心控制器將數(shù)據(jù)上傳云服務(wù)器，同時云服務(wù)器也可以遠(yuǎn)程發(fā)出指令，開啟/關(guān)閉相應(yīng)反饋補(bǔ)償設(shè)備。環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測控制系統(tǒng)工作流程如圖1所示。

本控制系統(tǒng)共分成2個部分：第一部分是下位機(jī)，負(fù)責(zé)環(huán)境參量的數(shù)據(jù)采集。下位機(jī)主控部分選擇STM32作為主控制芯片，移植嵌入式實時操作系統(tǒng)進(jìn)行多任務(wù)的操作和執(zhí)行［4］。下位機(jī)采集部分選擇相應(yīng)傳感器來采集環(huán)境中的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度以及TVOC濃度這5個環(huán)境數(shù)據(jù)，然后將各個參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和上傳。下位機(jī)主控部分將采集的數(shù)值和設(shè)定好的數(shù)值進(jìn)行對比，來確定開啟/關(guān)閉環(huán)境參量反饋補(bǔ)償電路模塊。第二部分是上位機(jī)。系統(tǒng)選擇云服務(wù)平臺來作為上位機(jī)服務(wù)器。云平臺上可以看到下位機(jī)各個傳感器采集到的數(shù)據(jù)，云平臺功能包括數(shù)據(jù)的存儲、顯示以及控制等。上位機(jī)和下位機(jī)的網(wǎng)絡(luò)連接使用無線WiFi模塊實現(xiàn)，使用了MQTT協(xié)議和TCP協(xié)議來保證網(wǎng)絡(luò)的連接和數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收。云平臺的界面可以自行搭建，實現(xiàn)實時顯示當(dāng)前時間下的各個環(huán)境參量以及通過曲線顯示的方式來顯示歷史數(shù)據(jù)，并結(jié)合自動反饋補(bǔ)償功能，方便用戶和工作人員查看和分析數(shù)據(jù)。環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測控制系統(tǒng)如圖2所示。

2 硬件設(shè)計方案

2.1 主控電路

下位機(jī)選擇STM32F103作為核心控制芯片，下位機(jī)包含最小系統(tǒng)（主芯片、復(fù)位電路、時鐘電路和供電電路等）、下載電路、電源指示燈等電路。電源電路為下位機(jī)各個模塊提供合適穩(wěn)定的電源，保證每個功能模塊的正常運(yùn)行。晶體振蕩器電路的作用是為下位機(jī)提供基本的時鐘信號，下位機(jī)包括兩個晶體振蕩器，為RTC提供時鐘。復(fù)位電路采用低電平復(fù)位。

2.2 傳感器電路設(shè)計

下位機(jī)選擇DHT11作為溫濕度傳感器模塊。DHT11的供電電壓為 3～5.5 V，DHT11的1號引腳連接3.3 V電源，4號引腳連接地端，2號引腳為DATA引腳，用于和單片機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。DATA引腳串聯(lián)一個5 K以上的電阻，該電阻的功能是增強(qiáng)信號的抗干擾能力。在DHT11上電后，有1 s的不穩(wěn)定狀態(tài)，在此期間不需要發(fā)送任何指令。

下位機(jī)選擇BH1750傳感器作為光強(qiáng)度傳感器。該傳感器有5個引腳，其中，1號引腳為SCL，為I2C總線的時鐘引腳；2號引腳為SDA，為I2C總線的數(shù)據(jù)引腳；3號引腳和GND相連；4號引腳和3.3 V電源連接。

下位機(jī)選擇SGP30傳感器作為檢測CO2和TVOC濃度。該傳感器有4個引腳，其中1號引腳為SCL，為通信總線的時鐘引腳；2號引腳為SDA，為I2C總線的數(shù)據(jù)引腳；剩下兩個引腳分別連接到3.3 V和GND。

2.3 反饋補(bǔ)償電路設(shè)計

當(dāng)STM32檢測到溫濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度等數(shù)值不在安全范圍內(nèi)時，開啟相應(yīng)的反饋補(bǔ)償電路模塊，控制相應(yīng)的執(zhí)行設(shè)備開啟關(guān)閉，使其環(huán)境參數(shù)數(shù)值回歸到設(shè)定范圍內(nèi)。

反饋補(bǔ)償電路采用繼電器控制執(zhí)行設(shè)備（弱電控制強(qiáng)電），因為單片機(jī)的IO口輸出的電壓一般在3～5 V，因此不能直接對大功率器件進(jìn)行驅(qū)動。為了能夠?qū)崿F(xiàn)對大功率元器件的自動控制功能，用一個放大電路來對繼電器輸出的電流進(jìn)行放大。繼電器是電磁型，單片機(jī)的輸出電流不足無法驅(qū)動，因此采用灌電流方式，通過PNP管對單片機(jī)IO口的電流（基極電流）進(jìn)行放大。反饋補(bǔ)償電路圖如圖3所示，JP3為相應(yīng)的執(zhí)行設(shè)備。

2.4 WiFi模塊電路設(shè)計

本系統(tǒng)選擇esp8266-01S作為無線WiFi模塊，用于上位機(jī)和下位機(jī)的數(shù)據(jù)通信。該模塊有8個引腳，模塊上RX引腳連接到單片機(jī)的PA2引腳，TX引腳連接到單片機(jī)的PA3引腳，復(fù)位引腳連接到單片機(jī)的PA4引腳，VCC和GND連分別連接到對應(yīng)的引腳。

3 軟件設(shè)計方案

3.1 總體軟件設(shè)計

單片機(jī)啟動后直接執(zhí)行main.c主函數(shù)文件，該文件定義了整個系統(tǒng)的工作流程。主函數(shù)首先對硬件初始化，之后創(chuàng)建開始任務(wù)，開始任務(wù)包含本系統(tǒng)中的全部任務(wù)。系統(tǒng)的總體軟件設(shè)計如圖4所示。

開始任務(wù)包含：WiFi連接任務(wù)是用于上位機(jī)下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；傳感器數(shù)據(jù)處理任務(wù)是將傳感器采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到MQTT數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)；MQTT命令緩沖處理任務(wù)是處理上位機(jī)和下位機(jī)之間的發(fā)送命令或者接收命令的功能；傳感器相關(guān)任務(wù)是將傳感器采集的數(shù)值發(fā)送到消息隊列。

3.2 傳感器任務(wù)的軟件設(shè)計

傳感器任務(wù)分為數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)發(fā)送。傳感器的數(shù)據(jù)處理任務(wù)，功能是處理待發(fā)送的傳感器數(shù)據(jù)，并發(fā)送到MQTT數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。具體操作：每30 s發(fā)送保活數(shù)據(jù)包和傳感器數(shù)據(jù)到上位機(jī)。下位機(jī)與上位機(jī)之間使用的是MQTT協(xié)議連接。協(xié)議格式為：固定報頭+消息體的長度的高字節(jié)+消息體長度的低字節(jié)+消息體。

傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)，功能是讀取傳感器檢測到的數(shù)值，并發(fā)送到消息隊列，通過消息隊列發(fā)送到MQTT數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。由于系統(tǒng)使用了3個傳感器，每個傳感器返回的數(shù)據(jù)格式不同，因此單片機(jī)取出數(shù)據(jù)的方法也不同，取出數(shù)據(jù)后通過FreeRTOS的API函數(shù)進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)即可。

3.3 Wi-Fi任務(wù)的軟件設(shè)計

在Wi-Fi任務(wù)開始時，通信方式選擇TCP的“三次握手”連接方式進(jìn)行連接。上位機(jī)與下位機(jī)連接的過程中，要每30 s由下位機(jī)向上位機(jī)發(fā)送一個?；畹臄?shù)據(jù)，讓上位機(jī)知道該設(shè)備要繼續(xù)連接并發(fā)送數(shù)據(jù)，否則下位機(jī)長時間沒有向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，則上位機(jī)會單方面中斷與下位機(jī)的連接。

3.4 MQTT緩沖任務(wù)的軟件設(shè)計

MQTT緩沖任務(wù)分為數(shù)據(jù)接收發(fā)送緩沖任務(wù)、命令緩沖處理任務(wù)。MQTT數(shù)據(jù)接收發(fā)送緩沖任務(wù)有2個功能：（1）處理發(fā)送緩沖區(qū)數(shù)據(jù)；（2）處理接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)。若接收緩沖區(qū)有服務(wù)器命令，則移至命令緩沖區(qū)。

MQTT命令緩沖處理任務(wù)，功能是處理MQTT命令緩沖區(qū)內(nèi)的命令并執(zhí)行，并將執(zhí)行命令后的結(jié)果發(fā)送給上位機(jī)。具體操作：每30 s發(fā)送保活數(shù)據(jù)包到上位機(jī)，并執(zhí)行命令和發(fā)送結(jié)果。當(dāng)下位機(jī)檢測到MQTT數(shù)據(jù)發(fā)送接收緩沖區(qū)有上位機(jī)發(fā)送的指令時，則進(jìn)入MQTT命令緩沖區(qū)來執(zhí)行命令，執(zhí)行完命令后將結(jié)果發(fā)送到MQTT數(shù)據(jù)發(fā)送接收緩沖區(qū)，等待發(fā)送給上位機(jī)。

3.5 上位機(jī)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)上位機(jī)選擇ONENET云服務(wù)器。首先，在ONENET云平臺上創(chuàng)建一個產(chǎn)品，該產(chǎn)品選擇多協(xié)議接入，聯(lián)網(wǎng)方式選擇WiFi，設(shè)備接入?yún)f(xié)議選擇MQTT，自擬產(chǎn)品參數(shù)。其次，在新建產(chǎn)品內(nèi)，自擬設(shè)備參數(shù)。新創(chuàng)建的產(chǎn)品和設(shè)備有各自的、唯一的設(shè)備ID和產(chǎn)品ID，鑒權(quán)信息當(dāng)作設(shè)備的密碼，將全部信息同WiFi的名稱和密碼寫入下位機(jī)程序，在下位機(jī)通電后就可以連接到上位機(jī)。最后，在數(shù)據(jù)流模板管理進(jìn)行各個數(shù)據(jù)流的相關(guān)信息的輸入。

4 系統(tǒng)測試

每個傳感器采集5次的數(shù)據(jù)，如表1所示。通過表1可知，在該環(huán)境下的CO2濃度值相對于其他參數(shù)數(shù)據(jù)變化更大，但CO2濃度值與人的多少、開窗頻率等有關(guān)。經(jīng)過計算可知，該環(huán)境平均溫度為22 ℃，平均濕度為37.6 rh，平均光照強(qiáng)度為9 Lux，平均CO2濃度為444.4 ppm，平均TVOC濃度為8.2 ppd。

5 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，環(huán)境質(zhì)量檢測和控制系統(tǒng)在不同環(huán)境中的作用越來越重要。系統(tǒng)通過測試得出：當(dāng)前，測試環(huán)境內(nèi)的各項數(shù)值趨于穩(wěn)定，狀態(tài)良好，系統(tǒng)對溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度和TVOC濃度進(jìn)行了檢測和調(diào)控，系統(tǒng)基本達(dá)到了設(shè)計要求。

參考文獻(xiàn)

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［4］王書廷，曲娜.智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計探析［J］.低碳世界，2020（10）：186-187，190.

Research on environmental quality inspection and control system

WangShuting， QiFang

（Jilin University of Architecture and Technology， Changchun 130114， China）

Abstract：According to the World Health Organization， 100 000 people worldwide die of asthma every year from pollution caused by home renovations. In this paper， an environmental quality monitoring and control system is designed， in which STM32 is used as the main control chip and sensors are used to collect the environmental parameters such as temperature and humidity， light intensity， CO2 and TVOC concentration， and compared with the set numerical threshold， to decide whether to open the corresponding feedback compensation module to ensure that the parameters in the environment data in a relatively stable state， and then through the wireless module to send data to the host computer， at the same time， the host computer can send control commands to the slave computer to realize the closed-loop control of the whole environment. After testing： the current environment of the values tend to be stable， in good condition， the temperature， humidity， light intensity， CO2 concentration and TVOC concentration detection and control， the basic design requirements.

Key words： STM32; environmental monitoring; closed-loop control