基于STM32的室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)設(shè)計

湯祥虎 秦會斌 董勝奎

摘要：以STM32單片機為控制中心，運用多種傳感器，設(shè)計了集室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測、顯示與報警功能的空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用傳感器對空氣中的PM2.5、有害氣體、空氣溫濕度等多種參數(shù)進行檢測，通過WiFi模塊將數(shù)據(jù)上傳到手機等移動設(shè)備，空氣質(zhì)量達到警戒線時將觸發(fā)系統(tǒng)報警。該系統(tǒng)可靠性高、成本低，檢測方便快捷。

關(guān)鍵詞：STM32；傳感器；空氣質(zhì)量檢測；WiFi

DOIDOI：10.11907/rjdk.171587

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A文章編號：16727800（2017）010013203

0引言

隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，環(huán)境污染問題也越來越嚴重，尤其是空氣污染。2013年 “霧霾”成為年度關(guān)鍵詞，更加引發(fā)了人們對空氣質(zhì)量的擔憂。空氣中的污染物主要包括可吸入顆粒、懸浮顆粒物、一氧化碳和二氧化硫等[1]。空氣是人類生存的基礎(chǔ)，空氣質(zhì)量影響人們的身體健康。空氣污染會引發(fā)多種疾病，包括呼吸道疾病、慢性支氣管炎和慢性肺病等[2]。人們大部分時間在室內(nèi)，室內(nèi)空氣質(zhì)量更讓人關(guān)注，為此，設(shè)計了基于STM32的室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)以STM32為核心控制器，通過多個傳感器模塊對空氣中的一些重要參數(shù)進行檢測，并通過WiFi模塊將檢測到的數(shù)據(jù)上傳到手機等移動設(shè)備上，人們可隨時知曉室內(nèi)空氣質(zhì)量情況。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)集數(shù)據(jù)檢測、顯示與報警于一體，主要包括控制模塊、WiFi模塊、Android終端設(shè)備。

控制模塊是整個系統(tǒng)的核心，包括STM32處理器、傳感器、供電系統(tǒng)以及報警系統(tǒng)，主要工作是數(shù)據(jù)的采集，并為系統(tǒng)提供電源[3]。傳感器獲取空氣質(zhì)量的參數(shù)信息，STM32把獲得的信息發(fā)送給WiFi模塊。當參數(shù)超過一定值時，STM32控制報警系統(tǒng)報警。

WiFi模塊的主要功能是負責無線終端設(shè)備接入和數(shù)據(jù)傳輸。

Android終端設(shè)備包括智能手機、平板電腦等智能終端，它的主要功能是顯示室內(nèi)空氣參數(shù)，接收用戶命令并發(fā)送到處理器。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計如圖1所示。

2.1控制芯片選擇

主控芯片采用意法半導(dǎo)體的STM32F103C8T6，該器件擁有128K字節(jié)的閃存和20k字節(jié)的SRAM，2個12位的ADC，3個通用16位定時器，1個高級定時器，3個USART接口，1個USB接口，2個SPI接口和1個CAN總線接口。該芯片性價比、可靠性和穩(wěn)定性高，程序易于移植。

STM32通過控制各種傳感器，獲得空氣質(zhì)量參數(shù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給WiFi模塊。

2.2灰塵傳感器

灰塵傳感器采用GP2Y1051AU0F[2]，該傳感器原理如圖2所示。

GP2Y1051AU0F傳感器由發(fā)光二極管LED和光電子躍遷材料晶體管對角布置，能檢測到空氣中的灰塵散射光，特別是能有效檢測非常細的粒子。該傳感器會根據(jù)灰塵濃度的不同輸出不同的電壓值，通過得到的電壓值轉(zhuǎn)換為灰塵顆粒濃度。

GP2Y1051AU0F與主控芯片可采用AD采樣和串口通信兩種方式，本文選擇串口進行通信。串口輸出值即為灰塵濃度轉(zhuǎn)換后的電壓值。灰塵濃度與采集得到的電壓值成線性關(guān)系，通過電壓值很容易得到空氣中的灰塵濃度，如圖3所示。

2.3有害氣體傳感器

TGS2602傳感器是檢測有害氣體的傳感器，對低濃度有氣味氣體有很高的靈敏度，如氨氣、硫化氫，對低濃度的VOCs（揮發(fā)性有機物）也有很高的靈敏度，如甲苯[4]。該傳感器由傳感芯片和加熱器組成。檢測氣體時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中的被測氣體濃度增加而增加。

TGS2602有加熱電壓VH和線路電壓VC。加熱電壓加在與傳感器集成的加熱器上，以保持傳感器在一個特定的最佳溫度。線路電壓用來與負載RL測量電壓VOUT，VOUT值隨空氣中的有害氣體濃度的變化而變化，這樣得到空氣中有害氣體的濃度[5]。

2.4溫濕度傳感器

溫濕度傳感器DHT11是常用的一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器[6]。該傳感器抗干擾能力強、校準精確，具有極高的可靠性和穩(wěn)定性，電路如圖5所示。DHT11采用簡化的單總線通信，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸、控制均由單總線完成。

2.5WiFi模塊

WiFi模塊選取ATK-ESP8266。該模塊是ALIENTEK推出的一款高性能串口-無線模塊，采用串口與MCU通信，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能實現(xiàn)串口與WiFi之間的轉(zhuǎn)換。該模塊只需簡單的串口配置就可傳輸數(shù)據(jù)。

3軟件設(shè)計

3.1MCU控制程序設(shè)計

系統(tǒng)啟動后，首先初始化。初始化寄存器、中斷、定時器與各傳感器。初始化后啟動各個傳感器進行檢測，得到的數(shù)據(jù)發(fā)送給WiFi模塊，WiFi模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到手機等移動設(shè)備上。當檢測到氣體質(zhì)量嚴重到一定程度時，觸發(fā)報警模塊報警。程序流程如圖6左側(cè)所示。

單片機還要接收移動客戶端發(fā)來的查詢和控制命令。這里通過中斷完成，當WiFiI模塊接收到來自移動端發(fā)來的命令后，通過串口發(fā)送到STM32，這時產(chǎn)生一個中斷，在中斷函數(shù)中完成命令，流程如圖6右側(cè)所示。

系統(tǒng)主函數(shù)部分程序如下：

SysInit（）；

while（1）

{

pm2_5=Get_Data_Pm25（）；

povc=Get_Data_povc（）；

If（Data_is_ok（pm2_5，povc））

Send_data（pm2_5，povc）；

else

Alert（pm2_5，povc）；endprint

Delay（）；

}

在處理中斷過程中，要用到嵌套向量中斷控制器NVIC。在STM32系統(tǒng)中，搶占式優(yōu)先級（NVIC_IRQChannelPreemptionPriority）和響應(yīng)優(yōu)先級（NVIC_IRQChannelSubPriority）共同構(gòu)成了一個中斷優(yōu)先級。可通過嵌套中斷向量控制器（NVIC）來分配先占優(yōu)先級和次占優(yōu)先級數(shù)量：

NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure；

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0；

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0

通過上段代碼就可將中斷的搶占優(yōu)先級和響應(yīng)優(yōu)先級都設(shè)置為0。

3.2Android客戶端設(shè)計

手機客戶端程序由登陸模塊和通信模塊組成。

在登陸模塊中使用Android系統(tǒng)提供的SQLite數(shù)據(jù)庫。Android提供了一個名為SQLiteDatabase的類，該類封裝了一些操作數(shù)據(jù)庫的API，使用該類可進行數(shù)據(jù)的添加（Create）、查詢（Retrieve）、更新（Update）和刪除（Delete）等操作。利用該數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建名為“user.db”的代碼：openOrCreateDatabase（String path，SQLiteDatabae.CursorFactory factory）。其中path為存放數(shù)據(jù)庫路徑，第2項通常置為null。利用Android提供的API可對表和數(shù)據(jù)方便地操作。

在通信模塊，為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，采用Socket通信，它是基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。基于TCP/IP的Socket類型主要有流套接字和數(shù)據(jù)包套接字。流套接字提供了可靠的字節(jié)流服務(wù)，在通信之前要先建立連接，速度比較慢。數(shù)據(jù)報套接字使用UDP協(xié)議，面向無連接的數(shù)據(jù)傳輸，速度比較快。

客戶端工作流程如圖7所示。

客戶端程序主要代碼如下：

socketAddress=new InetSocketAddress（strIP，SERVER_PORT）；

socket = new Socket（）；

socket.connect（socketAddress， SERVER_PORT）；

inputStream = socket.getInputStream（）；

outputStream = socket.getOutputStream（）

該程序創(chuàng)建套接字并連接服務(wù)器。其中，strIP是服務(wù)器的IP地址，SERVER_PORT是服務(wù)器的端口號，連接好后即可與服務(wù)器進行通信。

4實驗結(jié)果

將測試系統(tǒng)放在室內(nèi)，打開之后通過手機客戶端固定間隔時間查看PM2.5濃度和POVC濃度，結(jié)果如圖8和圖9所示。

5結(jié)語

本文設(shè)計的室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)能檢測室內(nèi)空氣中PM2.5、有害氣體濃度及室內(nèi)溫濕度，及時發(fā)送到Android客戶端顯示，并能對嚴重污染空氣發(fā)出警報。系統(tǒng)可靠性高、成本低，能滿足人們對空氣質(zhì)量檢測的需要。

系統(tǒng)還有不足之處，如該系統(tǒng)只對空氣質(zhì)量起到檢測作用，無法對室內(nèi)空氣作凈化處理，這是需要改進的地方。

參考文獻：

＼[1＼]許元，牛熠，肖達根.一種空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2016（2）：7778.

[2]劉少軍，王瑜瑜.基于單片機控制的空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)的設(shè)計[J].機械與電子，2015（1）：5356.

[3]陳雙葉，徐文政，丁雙春，等.智能家居室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測、評價與監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].信息通信技術(shù)，2016（3）：4956.

[4]袁緒，宋康，查長海，等.基于STC12C5A60S2的空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2015（6）：132135.

[5]文曉剛，劉銳，蔡強，等.一種可同時檢測揮發(fā)性氯代烷烴和氯代烯烴的電子鼻的研制[J].環(huán)境科學(xué)，2012（11）：40124017.

[6]韓丹翱，王菲.DHT11數(shù)字式溫濕度傳感器的應(yīng)用性研究[J].電子設(shè)計工程，2013（13）：8385.

責任編輯（責任編輯：杜能鋼）endprint