室內空氣智能調控系統

胡鳴蕾，葛 熠，馬 麗，王 佳，朱益民

（南京信息工程大學 江蘇 南京 210044）

隨著社會的進步和生活水平提高，人們對居住環境提出了越來越高的要求，除了舒適的熱環境外，空氣的健康清新、調控安全便捷也引起了人們越來越廣泛的關注。目前絕大部分建筑物中僅配有簡單的通風換氣設備，無法實現人性化的智能調控。如何實現室內空氣污染物的監測與報警以及智能調節，已成為智能家居領域的研究熱點。

1 系統結構和工作原理

1.1 系統結構

該系統由傳感器模塊、無線模塊、單片機控制模塊、步進電機模塊、短信模塊5部分組成，結構框圖如圖1所示。

1.2 工作原理

傳感器模塊檢測到氣體濃度超標時發出報警信號，通過無線發射、接收后傳送到單片機控制模塊，啟動控制程序，并向電機模塊及短信模塊發出工作信號，整個過程依賴于主控制模塊程序的運行，通過添加傳感器模塊及編寫不同程序可以實現多種控制功能。

圖1 系統結構圖Fig.1 Structure diagram of the system

2 硬件部分

2.1 傳感器模塊

選取3種常見的氣體及相應的傳感器：甲烷（傳感器MQ5），氨氣（傳感器 MQ137），二氧化碳（傳感器（MG811）[1]。 3種傳感器具有高靈敏度、高穩定性、使用壽命長、驅動電路簡單等優點，適合于家庭中使用。

電路部分選用LM393比較器[2]，其工作電源電壓范圍寬，單電源（2～36 V）；消耗電流小，輸入失調電壓小，VIO=±2 mV；輸出與TTL，DTL，MOS，CMOS等兼容；當監測氣體濃度達到既定值時A、B兩端電壓變化，經LM393比較，輸出低電平，由單片機控制部分采集。電路如圖2所示。

2.2 無線模塊

無線發射電路以 MICRF102為核心[3]，MICRF102采用SOP（M）-8封裝，芯片內包括由基準振蕩器、相位檢波器、分等構成的合成器；發射偏置控制；RF功率放大器；無線調諧控制和變容二極管等電路，實現數據輸入—無線輸出。

圖2 傳感器模塊電路Fig.2 Sensor module circuit

無線接收電路以MICRF007為核心，MICRHl07采用SOP9（M）—8封裝，芯片電路可分為UH F下變換器、OOK解調器和基準控制3部分。

2.3 單片機控制模塊

采用STC89C52單片機[5]，STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K在系統可編程Flash存儲器，單芯片上擁有8位CPU，內帶4 K字節EEPROM存儲空間，兼容標準MCS-51指令系統及80C51引腳結構。單片機接收來自傳感器模塊的低電平信號，通過程序運行后轉換為電機模塊及短信模塊的控制信號，控制整個系統的運行。

2.4 電機模塊

此部分選用28BY J48型號步進電機[5]，在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的[6]；驅動芯片使用ULN2003，驅動轉速較低，適合排氣扇打開使用。模塊收到信號后工作，通風換氣。此部分電路如圖3所示。

圖3 電機驅動模塊Fig.3 Motor drive modules

2.5 短信模塊

選用西門子公司的TC35短信模塊[7]，TC35型模塊是終端的主要功能部件，由GSM基帶處理器、電源專用集成電路、射頻電路和閃速存儲器等部分組成，負責處理GSM蜂窩設備中的音頻、數據和信號。 終端系統的工作電壓為5 VDC。由于TC35的突發耗電電流峰值可達3 A，故外加穩壓器件必須達到足以提供該額定電流的條件。在該終端中，采用LM2596型開關電源完成12 V到5 V的轉換，作為TC35終端的電源。必須注意的是，由LM2596完成開關電源轉換需要大功率的電感器和電容器，以提高儲能能力，滿足TC35的耗電要求。

2.6 電源模塊

系統需提供5 V（甲烷、氨氣傳感器模塊，電機模塊，短信模塊等部分）、6 V（二氧化碳傳感器模塊）直流電源，設計電源模塊電路，通過220 V轉9 V變壓器[8]及三端穩壓器7805、7806產生所需的電源電壓以供傳感器、電機、單片機使用。輔助電源原理圖如圖4，變壓器產生9 V左右的交流電，輔助電源的輸入端電源由變壓器輔助線圈提供，經過整流橋整流和電容后濾成9 V作為三端穩壓器輸入電源[9]。

圖4 電源模塊Fig.4 Power supply module

3 軟件部分

該部分為短信模塊的調試運行。TC35模塊采用AT賀氏指令。單片機通過AT指令對TC35模塊進行初始化和短消息的接收發送。對短消息的控制共有3種模式:Block模式、PDU模式和Text模式。本系統使用PDU模式進行短消息的接收和發送[10]。

3.1 初始化指令

1）設置短消息發送格式AT+CMGF=1；2）設置短消息中心 AT+CSCA=″+8613800250500″（短消息中心，不同地區不同，此為南京）；3）設置短消息到達自動提示AT+CNMI=1，1，0，0，1，。

3.2 發送短消息

先發送短消息數據的長度，AT+CMGS=。等待TC35模塊返回ASCII字符“>”，則可以將PDU數據輸入，PDU數據以作為結束符。

3.3 接收短消息

短消息到來后，單片機接收到指令+CMTI:″SM″，INDEX（信息存儲位置）。讀取PDU數據的AT命令為AT+CMGR=INDEX，則模塊返回剛剛收到的PDU格式的短消息內容。

3.4 PDU數據示例

如需要發送漢字“煤氣泄漏”到手機15365181385，則首先發送數據串AT+CMGS=0，然后等待ASCII字符“>”，然后輸入PDU數據00 11 00 0D 91 685163151883F5 00 08 A9 0A71646C146CC46F0F1A。（以上幾步中操作成功則模塊返回OK）軟件部分流圖如圖5所示。

圖5 短信模塊工作流程Fig.5 Workflow of SMS module

4 系統運行

傳感器模塊檢測到相應氣體后通過無線模塊向控制中心發送信號，電機模塊收到控制中心信號開始運行，排氣扇工作，實現氣體交換。短信模塊收到控制中心指令后啟動，向指定用戶發送短信警報，以便用戶及時采取措施。整個系統各部分工作互不影響，很好的實現的既定功能。

5 結束語

文中設計的以STC89C52單片機為控制中心的室內空氣智能調節系統，在軟硬件的結合下，可以達到所要求的性能指標，運行穩定可靠。測試表明，傳感器部分具有較高的靈敏度，可以成功檢測到低濃度的氣體。對于電機的類型，依不同需求而定，監測的氣體也可以通過跟換傳感器而增減，短信模塊可以作為家用電話使用，因而此系統具有廣闊的應用前景和實用價值。

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