基于物聯網的空氣凈化系統的軟件設計

張 啟 陸興華 張傳金

（廣東工業大學 華立學院，廣東 增城511300）

0 概述

本軟件系統的核心是微控制器 （STM32F103R—ARM-based 32-bit MCU），本論文以該微控制器為中心單元，而電源控制模塊、電機控制模塊、紫外燈控制模塊、LED 顯示模塊、負離子控制模塊、觸摸按鍵模塊以及空氣質量檢測傳感器模塊和WIFI 模塊組成的空氣凈化系統的運行將全部以該微控制器為核心，因此構成了智能可遠程控制的空氣凈化系統。本論文針對空氣凈化器控制系統的研究采用了多傳感器數據采集模塊的集成，實現了空氣凈化器的數據采集和工作狀態的自動調整等功能；同時，研究集成了將無線通信模塊WIFI 模塊與空氣凈化器結合，實現了空氣凈化器的遠程控制和物聯網化，實現了真正的無線互聯。

1 總體設計

1）本論文所研究的空氣凈化器控制系統的軟件程序主要包括了系統初始化程序、電機控制程序、紫外燈和負離子控制程序、LED 顯示和觸摸按鍵控制程序、 傳感器數據采集程序和無線WIFI 通信程序等各功能模塊的程序設計。針對本設計采用的STM32F103R 微控制器的實現包括了中斷、查詢、A/D 轉換、GPIO、SDIO、UART 等功能。

2）根據控制系統的功能需求分析，本文描述的空氣凈化器對于軟件程序的需求可分為以下幾個部分：系統初始化程序、電機驅動程序、紫外燈和負離子控制程序、LED 顯示和觸摸按鍵程序、 傳感器數據采集程序、無線WIFI 通信程序設計。

其中，紫外燈、負離子、LED 顯示為微控制器的控制程序，電機、WIFI 模塊為微控制器的驅動程序； 傳感器數據采集和觸摸按鍵為微控制器的參數輸入程序。 各個部分都是緊密相關，每個功能模塊對于程序的整體設計都是非常重要的，都是通過STM32F103R 微控制器程序，才能使得空氣凈化器控制系統運行起來。

根據程序總體設計， 各模塊處理子程序依賴于主程序的調度，共同完成控制系統的功能。 系統根據功能需要，在初始打開空氣凈化器電源時，直流電機、紫外燈、負離子、傳感器、WIFI 模塊等均不工作，只有當電源按鍵或者無線WIFI 模塊通過遠程打開電源開關時， 空氣凈化器控制系統才啟動工作。

2 系統初始化程序設計

系統初始化程序主要針對本系統的系統參數進行初始化，包含了STM32F103R 微控制器的初始化程序、I/O 口的配置、 程序各參數、變量、標志位的設定、系統默認運行參數的設定、默認顯示程序運行等。默然上電后系統初始化過程中，空氣凈化器的電機、紫外燈、負離子等負載并不工作，設備的LED 顯示模塊顯示默認的參數和配置。

3 空氣凈化系統的各個模塊的軟件設計

3.1 電機驅動程序設計

本論文研究中使用的是無刷直流電機，電機的驅動是利用微控制器輸出PWM 調壓來實現電機的速度變化。 在電機的運行過程中，需要根據空氣凈化器的工作狀態來調整電機的轉動速度。

3.2 紫外燈和負離子控制程序設計

紫外燈管的驅動是利用低電平導通信號的輸出來實現的，輸出驅動信號的引腳為PB4；負離子發生器的驅動同樣是利用低電平導通信號的輸出來實現的，輸出驅動信號的引腳為PB4。

3.3 LED 顯示和觸摸按鍵控制程序設計

本文描述的空氣凈化器顯示模塊的顯示內容主要有：定時時間指示、燈光指示、工作模式指示、空氣質量指示、殺菌等指示、PM 指示等數據。 主要來自按鍵的更改和數據采集對于的數據變化。

按鍵的控制程序主要是進行外部中斷的處理過程，空氣凈化器控制系統的按鍵主要有六個，包括了電源開關Kl、工作模式選擇K2、負離子/紫外燈鍵K3、定時設置K4、電機風速調節鍵K5 以及空氣質量指示燈光鍵K6。 同時按住定時鍵和電機風速鍵啟到過濾網的狀態復位功能，按鍵的程序設計主要是通過中斷來實現的，當發生按鍵操作的時候，單片機引腳將根據信號進行程序處理。 程序對于按鍵的觸發信號判斷為串行流程，依次判斷每個按鍵的操作指令，執行相應的子程序。

3.4 傳感器數據采集程序設計

根據電路原理圖和實際工作過程，設計出空氣質量傳感器和粉塵傳感器的數據采集程序，系統啟動后，控制信號中斷程序開始工作，并且ADC 使能打開，檢測系統開始工作。 由傳感器特性分析可知，傳感器在數據采集過程中，在控制信號作用下開始采集數據，實時檢測室內空氣污染狀況。 為了得到實用數據，需要對室內空氣質量進行大量測試和實驗，最后得出想要的數據結果。

3.5 無線WIFI 通信程序設計

根據實際應用， 無線WIFI 通信部分需要將當前空氣凈化器的狀態值（空氣質量、工作模式、風速、PM 指數、定時狀態等等）傳輸到服務器端，并且能夠將服務器端發送來的控制命令成功接收，以實現能夠遠程控制空氣凈化器的工作狀態，系統啟動后，首先對WIFI 模塊進行初始化，包括SDIO 設備枚舉，加載設備固件等操作，然后掃描WIFI網絡，掃描結束后，根據配置的WIFI 賬號和密碼進行關聯網絡，關聯成功后進行IP、子網掩碼、網關等的設置，接著就是建立TCP SOCKET的客戶端，具體工作有綁定本地及服務端的IP 和端口。 最后就是從服務端接收數據，判斷是否為獲取設備狀態或者控制設備的命令，進行相應的操作。

4 結束語

本論文主要研究和探討了室內空氣凈化系統的軟件設計，而本文對物聯網空氣凈化器控制系統的研究還是一個開始，結合目前新技術的發展，需要深入研究的方向還有很多，而本文所說明的空氣凈化系統的軟件設計，還存在很多的不足，還有者許許多多可以改進的地方，這都將隨著我們對未來空氣凈化器一步一步的深入研究，不斷地改造創新與發展，以后一定會使其在該領域越來越完善，而技術也一定會越來越成熟。

［1］劉林茂,李杰.負離子空氣凈化器展望[J].東北師范大學學報:自然科學,1996(03).

［2］劉洪亮,侯常春,馬蔚,馬永民.臭氧宅氣凈化器對甲醛、苯凈化效果的實驗研究[J].

［3］閏其年,劉志強,楊景發,張子生.一種光觸媒高效空氣凈化器的實驗研究[J].河北大學學報:自然科學版,2011(01).

［4］林忠寧.空氣負離子在衛生保健中的作用[J].生態科學,1999,18(02)：1112.

［5］亢燕銘,榮美麗,沈恒根,王明星.空氣凈化過程中的電暈放電與離子風[J].自然雜志,2002(03).