劉艷峰

（甘肅省太陽能發(fā)電系統(tǒng)工程重點實驗室酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅酒泉，735000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展和人民生活水平提高，人們對居住環(huán)境的要求也越來越高，所以室內(nèi)空氣污染成為大家關(guān)注的焦點，對室內(nèi)空氣質(zhì)量也提出了更高的要求?？諝庵形廴疚锏臐舛仁窃u價室內(nèi)空氣質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)之一，傳統(tǒng)室內(nèi)空氣監(jiān)測在測試過程中都是采用人工操作，不具有自動測量功能，不僅效率低，而且容易造成環(huán)境污染。同時，也沒有很好地適應(yīng)當(dāng)前人們對室內(nèi)空氣質(zhì)量要求不斷提高的現(xiàn)狀。針對以上情況，設(shè)計了一種基于STM32 單片機的室內(nèi)空氣監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)將傳感器與單片機結(jié)合實現(xiàn)對室內(nèi)溫濕度、甲醛、PM2.5 等環(huán)境參數(shù)的實時采集，并根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)計算出相應(yīng)的值，進而得到室內(nèi)空氣參數(shù)實時濃度值，實現(xiàn)了對室內(nèi)空氣實時監(jiān)測和預(yù)警的目的，具有簡單實用，測量準(zhǔn)確等優(yōu)點[1]。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

■1.1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計

室內(nèi)空氣監(jiān)測系統(tǒng)包括主控制器模塊、傳感器模塊、顯示模塊和藍(lán)牙模塊[2]。傳感器模塊主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，然后將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入到單片機中，通過軟件對傳感器信號進行處理和分析，當(dāng)數(shù)值超過設(shè)定值時，則發(fā)出警報；顯示模塊負(fù)責(zé)實時顯示室內(nèi)情況，以便及時提醒用戶采取相應(yīng)措施；藍(lán)牙模塊連接上位機進行信息傳輸，達(dá)到實時監(jiān)測的目的。

室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測主要是通過對室內(nèi)環(huán)境中空氣成分的變化情況進行實時監(jiān)控，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)來判斷室內(nèi)環(huán)境是否正常。該系統(tǒng)實現(xiàn)了室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的實時采集與顯示及遠(yuǎn)程通信功能，具有性能可靠、安裝方便、操作簡單等特點，可用于環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測及預(yù)警，能夠滿足室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測要求，可實現(xiàn)在線實時測量室內(nèi)空氣質(zhì)量參數(shù)。系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

■1.2 主控制器模塊

室內(nèi)空氣監(jiān)測系統(tǒng)的主控制器采用STM32F103 單片機，作為一種新型的嵌入式微處理器，該單片機具有高可靠性、體積小、易于維護等特點[3]。還具有良好的抗干擾能力，較高的穩(wěn)定性和可擴展性。通過對STM32F103 單片機進行功能擴展設(shè)計，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、通訊、顯示和報警等功能，整個控制系統(tǒng)靈活方便，為用戶提供更多選擇和良好的使用環(huán)境。最小系統(tǒng)電路圖如圖2 所示。

圖2 單片機最小電路圖

■1.3 溫濕度采集模塊

溫濕度采集模塊采用 DHT11 數(shù)字型溫濕度傳感器，在單片機的控制下實現(xiàn)了對環(huán)境溫度、相對濕度的測量[4]。該傳感器測量精度高，抗干擾能力強，能實現(xiàn)溫度、濕度的連續(xù)測量。電路原理圖如圖3 所示。

圖3 溫濕傳感器電路圖

■1.4 PM2.5 采集模塊

PM2.5 采集模塊采用GP2Y1051AU0F粉塵傳感器，能夠?qū)崟r測量PM2.5 濃度，通過對粉塵的檢測來判斷環(huán)境是否達(dá)標(biāo)[5]?？稍谳^短時間內(nèi)完成對環(huán)境中顆粒物的檢測和收集工作。通過對傳感器所采集到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理計算得到顆粒物濃度值，并將其換算成相應(yīng)數(shù)值后輸入單片機，以實現(xiàn)對空氣質(zhì)量狀況的實時監(jiān)測與診斷。PM2.5 采集模塊電路圖如圖4 所示。

圖4 PM2.5 采集模塊電路圖

■1.5 甲醛采集模塊

甲醛采集模塊采用ZE08-CH2O 傳感器，將空氣中的甲醛濃度信號轉(zhuǎn)換為電信號，并通過串口傳輸?shù)絾纹瑱C，然后由單片機對電信號進行處理和分析，得到甲醛濃度信息，從而實現(xiàn)了甲醛檢測功能[6]。該傳感器內(nèi)置溫度補償電路，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時，可進行溫度補償。同時具有體積小、成本低等優(yōu)點。甲醛采集模塊電路原理圖如圖5 所示。

圖5 甲醛采集電路

■1.6 顯示模塊

顯示模塊采用OLED顯示屏，主要功能用來顯示實時溫濕度、甲醛、PM2.5 等參數(shù)，可在各種環(huán)境下使用。具有響應(yīng)速度快、大視角的特點，分辨率較高，由于不需要背光源，所以其功耗較低。顯示模塊電路圖如圖6 所示。

圖6 顯示模塊電路圖

■1.7 藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙模塊把單片機采集到的數(shù)據(jù)傳輸給上位機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。采用HC-06 藍(lán)牙模塊，具有重量輕、功耗低等特點[7]。該模塊可用于從機系統(tǒng)中傳輸數(shù)據(jù)和控制信號，也可以作為其他設(shè)備連接到從機或?qū)⑵浣尤氲街饔嬎銠C上的通信單元使用，還可用于在從機與主計算機之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。可以滿足各種不同的通信需求。藍(lán)牙模塊電路原理圖如圖7 所示。

圖7 藍(lán)牙模塊電路原理圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

室內(nèi)空氣監(jiān)測系統(tǒng)的軟件部分主要實現(xiàn)的功能是數(shù)據(jù)采集、處理和分析，并將檢測數(shù)據(jù)傳送到主控制器。通過數(shù)據(jù)采集和分析，對室內(nèi)污染狀況進行判斷，從而為用戶提供相應(yīng)的環(huán)境管理依據(jù)。系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計方法，實現(xiàn)了功能劃分清晰、功能豐富、運行速度快等優(yōu)點。

首先，系統(tǒng)進行初始化，用戶根據(jù)實際需要設(shè)定各個參數(shù)的閾值。然后將設(shè)置好的參數(shù)輸入到數(shù)據(jù)庫中。主控制器發(fā)出指令，控制各個采集模塊開始采集數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙模塊傳輸?shù)街骺刂破髦?，同時顯示模塊顯示采集到的溫濕度、PM2.5、甲醛等實時參數(shù)值。主控制器對各個參數(shù)值進行處理，判斷各個參數(shù)值是否超過用戶設(shè)定的閾值，當(dāng)檢測到有參數(shù)超出了設(shè)定的閾值時，主控制器啟動報警功能提醒用戶及時采取防護措施。如果沒有，則會自動進入下一個循環(huán)，系統(tǒng)繼續(xù)采集室內(nèi)各個參數(shù)值。在主控制器的控制下，采集模塊自動完成工作，并向主控制器發(fā)送采集結(jié)果。在整個過程中，各子系統(tǒng)之間不存在交互關(guān)系。通過藍(lán)牙模塊與上位機連接，上位機可隨時獲取室內(nèi)環(huán)境情況。由于藍(lán)牙具有較強的擴展性，可以滿足不同地區(qū)和場所的使用需求。同時，藍(lán)牙還可以支持多種協(xié)議以及無線局域網(wǎng)通信方式，以便于遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸。主程序流程圖如圖8 所示。

3 結(jié)果分析

在實驗室環(huán)境下，對空氣監(jiān)測系統(tǒng)進行測試與驗證。實驗數(shù)據(jù)是在連續(xù)7 天內(nèi)，把同一時間同一測量點的測量結(jié)果經(jīng)過加權(quán)平均得到的。所測的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進行對比，如圖9～圖12 所示。

圖9 PM2.5 濃度對比圖

圖10 甲醛濃度對比圖

圖11 相對濕度對比圖

圖12 溫度對比圖

圖13 某時刻上位機監(jiān)測圖

本系統(tǒng)測量得到的PM2.5 濃度、甲醛濃度、相對濕度和溫度等參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)值基本吻合，誤差均在允許的測量范圍內(nèi)，具有較高的精度，符合實際測量要求。上位機可以實時顯示室內(nèi)環(huán)境參數(shù)值，并且有預(yù)警功能，當(dāng)檢測到室內(nèi)參數(shù)超過設(shè)定的上限或下限時發(fā)出警報。該系統(tǒng)在實驗中得到了較好的驗證，能夠很好地對環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)控。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于STM32 單片機的室內(nèi)空氣監(jiān)測系統(tǒng)。文中詳細(xì)介紹了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及軟件設(shè)計，采用了模塊化設(shè)計思想，以STM32 單片機作為核心器件，以溫濕度、PM2.5、甲醛等采集模塊為外圍部件進行數(shù)據(jù)采集與處理，并將采集到的信息通過藍(lán)牙傳輸給上位機進行顯示和管理，實現(xiàn)了對室內(nèi)溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)控與報警功能。

實驗結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)可以有效地采集并顯示室內(nèi)PM2.5、甲醛等信息，具有較好的實用性。該系統(tǒng)對改善人們居住環(huán)境有著重要意義，同時為智能家居的設(shè)計提供了一個新的思路和方法。