基于STM32的室內空氣質量智能調節系統

張宇鑫 徐云捷 董文亮

【摘 要】為進一步實現室內空氣質量檢測裝置智能化，在空氣質量監測裝置的基礎上改進并增加智能控制模塊，從而實現空氣質量的自動調節。本系統采用STM32作為微處理器，集成多種傳感器，實現對室內溫濕度、甲醛濃度、PM2.5濃度的實時采集和顯示，同時微處理器根據檢測結果實現對空氣凈化裝置、開窗裝置、加濕器的智能控制，保證室內空氣質量符合健康要求。

【關鍵詞】STM32;溫濕度;甲醛濃度;PM2.5濃度;自動控制

一、前言

近年來，空氣污染問題頻頻發生，同時隨著生活水平的顯著提升，人們對于自身健康也越來越重視。空氣質量品質與人們的身體健康密切相關。據統計，現代人一天有80%的時間是在室內活動[1]。相比于室外，室內空氣質量的優劣對人們的健康影響更大，因此人們對智能調節室內空氣質量的需求愈來愈迫切。本文設計了一種基于STM32微處理器的室內空氣質量智能調節系統，通過集成多種傳感器，經微處理器處理，TFTLCD顯示屏實時現場顯示監測數據，通過藍牙模塊傳送至終端APP，并實現對加濕器、空氣凈化裝置、開窗裝置等設備的自動控制。

目前對于空氣質量監測系統的研究也很廣泛，其中文獻[1]采用FPGA作為主控器處理傳感器采集的溫濕度、一氧化碳等信息，通過藍牙實現與手機APP通信，同時控制步進電機轉向來控制風扇、濾網實現室內外空氣交換。文獻[2]實現對溫濕度、PM2.5監測，并利用PWM輸出實現風扇轉速的多級調節，實現自適應調節室內溫度及報警。文獻[3]采用ARM設計室內空氣質量監測裝置，實現對溫濕度、PM2.5、甲醛的實時監測顯示，并通過WIFI模塊傳送至手機APP顯示。在空氣質量檢測裝置的基礎上加以改進優化，實現對空氣凈化裝置、加濕器、空調、開窗器等家用設備的智能控制來優化室內空氣質量。

二、系統總體設計

系統主要包括微處理器、各傳感器模塊、TFTLCD液晶顯示模塊、電源模塊和藍牙傳輸模塊。系統總體設計框圖如圖1所示。微處理器是整個系統的核心模塊，實現對各傳感器所采集到的信號處理計算后并在TFTLCD液晶顯示屏上實時顯示，同時通過HC-08藍牙模塊與手機端互聯，將數據傳送至手機終端APP中顯示。

三、系統功能及實現

（一）傳感器模塊

溫濕度傳感器選用AM2301溫濕度傳感器，是一款含已校準數字信號輸出的溫濕度符合傳感器，數據傳輸采用單總線機制，并與一個高性能8位單片機相連，具有超快響應、可靠性、穩定性和很強的抗干擾性能。該傳感器溫度分辨率8/16bit、濕度分辨率8/16bit，濕度正常測量范圍0-99.9%RH，溫度為-40-80攝氏度。

甲醛傳感器選用MS1100傳感器。該傳感器能夠檢測多種半導體揮發性有機物（VOCs）混合氣體，對甲醛最為敏感，對苯、醇類等也會反應，具有極高的靈敏度和穩定性。該傳感器為模擬量輸出，經過模數模塊轉換后可得到甲醛濃度。其中甲醛濃度轉換公式為：

Log（ppm） = -1.095 + 0.627Uout? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

Log（ppm） = -2.631 + 1.528 Uout + 0.125 U2out? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

其中（1）式為濃度（ppm）與模擬輸出電壓Uout的一階等式，（2）式為二階等式。

PM2.5傳感器選用GP2Y1014AU傳感器。該傳感器內部利用光敏原理，通過成對角分布的紅外發光管和光電晶體管來監測空氣中的灰塵放射光。其輸出模擬電壓正比于所測得粉塵濃度，故通過電壓值即可計算出空氣中的灰塵和煙塵的濃度。根據傳感器的輸出特性曲線可知：在0-0.5mg/m3范圍內，PM2.5濃度轉換公式為：DustDensity = 0.17*Uout – 0.1。傳感器輸出為模擬量，采用ADC0832進行模數轉換，其中Uout = ADout * （3.3/4096）。

（二）主控模塊

微處理器作為整個系統的核心，負責完成統籌整體、數據計算、控制傳輸等功能。本次設計選用ST公司的STM32F103ZET6增強型32位單片機，帶256K或512K字節閃存和高達64K的SRAM，擁有USB和CAN通信接口、11個定時器、3個12位精度模數轉換器、2個I2C接口、5個USART串口接口和112個GPIO接口，外圍資源豐富，性能穩定，基本能夠滿足本次設計需求。相比于傳統C51單片機，STM32功能更加強大，資源更加豐富，容量更大，運行速度更快，且性價比更優。

（三）通信模塊

本設計選用HG-08藍牙模塊，該模塊用于系統與小范圍內終端設備的無線通信，通過將單片機輸出的串口信號轉換為無線信號，與終端設備如手機進行藍牙互聯，從而實現在手機端APP上實時獲取系統的檢測數據信息。

（四）顯示模塊

TFTLCD即薄膜晶體管液晶顯示器，是一類有源矩陣液晶顯示設備，每一個像素由一個集成在像素點后面的薄膜晶體管來驅動，可有效地克服非選通時的串擾，使顯示液晶屏的靜態特性與掃描線數無關，進而實現高亮度、高對比度、高速的顯示信息。其視覺效果好，多尺寸可選的優點能夠滿足不同用戶的需求。同時STM32F103ZET6型單片機，外設IO引腳豐富，基本能夠實現驅動液晶屏實時刷新顯示數據。故系統選通TFTLCD液晶屏作為現場顯示模塊。

（五）繼電器輸出電路

繼電器輸出電路用于實現對加濕器、開窗器等具有開關特性的家用設備進行開關控制，微處理器通過輸出高低電平實現繼電器的開斷。

（六）紅外發射電路

紅外發射電路用于實現對空洞、空氣凈化器等具有遙控特性的家用設備進行開關控制。

四、裝置測量結果

用溫濕度計成品與該裝置系統在不同地點進行同時間測量，得出數據如表1所示。分析數據知，在相同時間，不同室內環境的溫濕度、PM2.5、甲醛濃度均不相同，但相同時間地點的測量結果基本相近。

五、室內空氣質量智能調節

（一）溫濕度調節

室內空氣溫濕度對人體舒適度起著很重要的作用。當環境溫度為18-25℃，相對濕度在40%-70%時，人體感覺最為舒適。[4] 若環境溫濕度指標未達到人體舒適度指標，微處理器發出控制信號，控制繼電器電路控制加濕器、開窗裝置工作或控制紅外發射電路來啟動空調工作，直至室內空氣溫濕度符合人體最佳舒適度。

（二）甲醛濃度和PM2.5濃度調節

依據我國《居室空氣中甲醛的衛生標準》規定，居室空氣中的甲醛的最高容許濃度為0.08mg/m3。[5]按照我國《環境空氣質量標準》規定，PM2.5濃度在24小時內的二級（居住區、文化區等）濃度限制的平均濃度最高值為75μg/m3。根據上述指標分別設定相應的界限值，若室內空氣中甲醛含量或PM2.5含量超過人體健康標準，將啟動蜂鳴器報警，同時向用戶終端APP發送警告信息。同時微處理器發出控制信號，控制紅外發射電路來啟動空氣凈化器工作，直至室內空氣質量水平達到要求。

六、結語

本文設計的基于STM32的室內空氣質量智能調節系統，能夠檢測室內環境溫濕度、甲醛濃度、PM2.5濃度，通過顯示屏進行實時顯示并通過藍牙模塊發送至手機終端APP中顯示，同時根據各項空氣指標是否達標，系統根據預先設定的控制策略對空調、加濕器、開窗器、空氣凈化器等進行智能控制，從而保持室內空氣質量符合人體健康標準。本設計具有良好的智能化、穩定性、靈敏性及實用性，精度高，在智能家居領域具有一定的應用價值。

【參考文獻】

[1]范瑾.FPGA的室內空氣質量檢測與調節系統[J].中國高新區，2017（21）：16.

[2]韋海成，王淼軍，魏鑫，舒勝.基于STM32的室內空氣質量監測自適應調節系統[J].現代電子技術，2016，39（08）：130-134+137.

[3]萬麗娟，劉穎，李沖，張忠祥.基于STM32的室內空氣質量監測系統設計[J].合肥師范學院學報，2017，35（03）：15-18.

[4]方敏艷. 淺析空氣舒適度之溫濕平衡[A]. 福建省制冷學會.2015年福建省暖通空調制冷學術年會論文集[C].福建省制冷學會：福建省制冷學會，2015：5.

[5]馬洪濤.室內空氣質量安全對人體健康的影響[J].決策探索（中），2019（05）：8-9.

[6]雷婧，王瑩.室內空氣污染防治對策[J].居舍，2017（36）：149-150.

[7]楊長業，邊煜，石漢青，曾培培.基于STM32的室內空氣質量檢測系統設計[J].氣象水文海洋儀器，2016，33（03）：63-66.

[8]王志強，王直.基于STM32室內空氣質量檢測系統硬件設計[J].電子設計工程，2017，25（09）：108-112.

[9]曹龍.基于STM32的室內PM2.5檢測系統的設計[J].電子世界，2016（17）：108.