基于ARM智能空氣檢測與凈化器的設計

何偉剛+李政林+章帆

摘 要： 為了滿足人們對室內空氣質量的需求，設計一種智能空氣檢測與凈化器。該裝置以STM32F103RCT6單片機為核心控制器，采用PM2.5傳感器、溫濕度傳感器、甲醛傳感器、有害氣體傳感器等對空氣進行檢測，通過等離子和負離子發生器產生大量的等負離子，利用等負離子的吸附和中和反應達到除塵、殺菌等作用，使空氣得到凈化。該裝置通過WiFi連接入互聯網，使用手機APP實現設備的數據查看和控制。實驗表明，該設計具有功能化，智能化，能夠實現遠程查看數據以及控制設備的能力。

關鍵詞： 空氣凈化； 智能監測； 凈化器； 互聯網

中圖分類號： TN911?34； TN722 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）12?0090?03

Abstract： In order to satisfy the demand for indoor air quality， an intelligent air detection and purification device was designed. The STM32F103RCT6 is taken as the core controller of the device， the PM2.5 sensor， temperature?humidity sensor， formaldehyde sensor and harmful gas sensor are used in the device to detect the air， and a mass of plasma?anions are generated through plasma and anion generators. The adsorption and neutralization reactions of plasma?anions are adopted to eliminate the dust， perform the sterilization to purify the air. The device is connected into Internet through WiFi， which can check and control its data by means of APP embedded in mobile phone. The device is a functional and intelligent one， and can check the data and control the appliance remotely.

Keywords： air purification； intelligent monitoring； purification device； Internet

空氣是人賴以生存的物質基礎，它和人們的身心健康具有十分密切的關聯。近年來，我國的經濟迅速發展，人們的生活水平也得到了很大的改善和提高，但是不斷出現了環境污染問題，特別是愈演愈烈的霧霾問題。同時，室內空氣的污染問題也不容樂觀。

工作或居住環境相對封閉化，再加上室內裝修材料造成的室內環境污染。更容易對人們健康的造成影響。當代人的工作，生活娛樂的大部分時間都是在室內進行[1?4]，可想而知，室內環境質量對人體健康有著直接的影響。針對室內空氣質量的現狀，本設計旨在設計一種能夠對室內環境中的溫度、濕度、PM2.5以及甲醛、苯、硫化物、煙霧等有害氣體進行實時監測，并能夠有效凈化空氣的智能系統。同時，通過物聯網技術，使該系統通過WiFi接入互聯網，制作手機APP實現設備的數據查看和控制。

1 系統設計

1.1 系統整體框架設計

本系統由空氣檢測、空氣凈化及物聯網查看控制三大部分組成，如圖1所示。空氣檢測部分主要通過多種傳感器，細致地檢測當前室內的空氣質量以及污染物的情況，并經單片機進行處理；同時，當計算得到的空氣質量超過標準值，系統會啟動空氣凈化裝置，對污染的空氣進行凈化，同時可以在人機交互界面上顯示警報信息，并通過蜂鳴器進行聲音報警提示，而且通過系統的人機交互界面，可以進行查看系統記錄的數據或者操作凈化器等功能。同時，該設備具備物聯網功能，系統通過WiFi模塊鏈接上路由器把數據上傳的互聯網平臺。

1.2 硬件整體設計

本系統主控模塊主要使用STM32F103RCT6芯片，傳感器部分主要由光照度傳感器、PM2.5傳感器、溫濕度傳感器、有害氣體傳感器、甲醛傳感器組成，如圖2所示，用于檢測空氣參數。空氣凈化部分主要由風扇、等離子發生器和負離子發生器組成。電源部分是12 V的鋰電池，可以通過平衡充模塊對其充電；SD卡部分主要用于保存數據，人機交互界面通過TFT觸摸屏；WiFi接口電路用于放置WiFi模塊，設備通過WiFi模塊連接入互聯網，實現聯網控制和查看數據；蜂鳴器主要用于發出聲音提示。

系統使用ST公司的32位ARM芯片STM32F103RCT6作為系統的核心，其集成了高性能的ARM Cortex?M3架構的32位RISC內核，能夠處理各種復雜的數據運算及任務[5?6]。它已被開發，以提供一種低成本平臺滿足MCU的需求實施方式中，具有較低的管腳數和低功率消耗，還有非常好的數據處理能力以及中斷響應機制。

空氣凈化部分主要采用目前比較推崇的等離子和負離子技術，這種技術相對安全、有效。空氣凈化模塊采用KJF04 DC 12 V等離子發生器，主要工作原理是將輸入的12 V直流電壓通過升壓電路升至正負高壓，此時正負高壓電會離空氣產生大量正負離子，周圍空氣中的細菌等會因為正負電荷中和反應所釋放的大量能量死亡，從而具有殺菌的作用[7]。等離子發生器產生的負離子對空氣有清新作用。

2 軟件整體設計

系統上電后會開始進行系統變量初始化。這個階段系統會初始化所有全局變量、數據結構、創建最低優先級空閑任務，創建6個空數據鏈表：空任務控制塊鏈表、空隊列控制塊鏈表、空事件控制塊鏈表、空標志組鏈表、空內存控制塊鏈表、空閑定時器控制塊鏈表。初始化完系統變量后，先創建開始任務，由開始任務創建讀取傳感器任務、按鍵任務、主任務、LED任務、蜂鳴器任務、WiFi物聯任務。創建完后便開始掛起開始任務，然后初始化硬件，并開中斷[8]。多任務管理器接下來會根據任務的優先級在就緒表中查找優先級最高的，并操作資源切換到該任務執行，μC/OS?Ⅱ系統通過定時中斷的方式實現實時性見圖3。每個時鐘節拍到來，就會進入一次定時中斷[8]。中斷后檢測是否有重要任務需要運行并進行任務切換，運行新的任務或者繼續運行本任務，確保實時性。

機智云是通過WiFi模塊與MCU以串口通信來實現的，所以要在MCU端根據編寫串口事件來解析接收的數據包以及發送數據到機智云[9]如圖4所示。

按照通信協議，發送的數據也有按照協議封裝在數據幀里，以便WiFi端或機智云端識別。數據區的只讀數據，包含了系統檢測空氣質量的參數，用結構體封裝起來，方便管理。根據設備需求，首先需要注冊、登錄、找回密碼、修改密碼、設備查找、配置設備、設備登錄以及設備數據顯示控制等功能如圖5所示。機智云的API提供有匿名、手機號碼、郵箱三種注冊方式，該系統的APP設計為郵箱注冊[10]。

3 系統測試

進行軟件仿真可以很方便對程序進行調試，里面的斷點執行以及單步執行可以很容易檢測某一個函數的功能見圖6。通過板子的SW接口，然后配置好仿真參數，點擊進入仿真按鈕，程序自動下載。之后就可以進行各項仿真測試了。

空氣檢測部分主要測量空氣的溫濕度、PM2.5、光照度、有害氣體、甲醛，所以對相關傳感器的靈敏度、準確度進行了測試。測試時，先在TFT交互界面的功能菜單圖標里，選擇傳感器數據圖標，進入傳感器數據顯示界面，該界面可以看到系統所有傳感器的數據；然后就是對每個參數進行測試，為了測試凈化效果及效率，將兩個凈化模塊放入透明封閉亞克力板箱子里，箱子除了頂蓋其他面全部封閉，在箱子的底部放上一張彩色的紙張。當煙霧充滿箱子，從頂部看不到底部的彩色紙張時，合好頂蓋，防止煙霧漏出。接下來給兩個模塊接上12 V的直流電源，測試從上電到箱子頂部清新看到底部的彩色紙張所需要的時間如表1所示。

經過系列的測試，從測試的數據可以知道系統運行穩定，凈化空氣的效果良好，對空氣污染物的檢測非常及時，對于檢測到有害氣體能及時發出報警，且體積小，也方便人們攜帶到其他空間使用。

4 結 語

本設計的設備能夠實時檢測空氣污染物和凈化空氣，通過人性化的TFT交互界面可以進行數據顯示、查看日志、控制凈化器開關、設置系統工作模式等，讓人們可以了解自己工作生活的空氣環境質量，同時能夠通過該設備有效凈化空氣，改善生活空氣品質。該設計結合物聯網技術，讓人們可以通過手機APP就很方便地查看設備所在的室內的空氣參數以及控制設備，讓人們得到智能化、人性化、方便快捷的服務。

參考文獻

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