智能家居空氣質量測試系統的設計

文/樊龍輝 劉瑞濤 王樹慶

1 引言

在智能家居系統中，除了中央控制單元外，一般包含多個智能設備，像空調、空氣凈化器、加濕器、消防和廚房家電等，但是室內環境質量的判定，需要有測試空氣質量的設備以測試的數據作為判斷依據，本文講述是基于STM32控制器的室內空氣的測試系統的設計。包括VOC有害氣體濃度、灰塵濃度、溫度和濕度等測量方法的硬件設計。

2 總體設計

2.1 系統設計要求

根據智能家居的需求，室內空氣質量的分析應該包括日常的溫度和濕度測量，危害人體較為嚴重的甲醛、一氧化碳、烷類、苯類等有害氣體的測量，還包括室內和PM2.5粉塵濃度等測量項目，通過這些測量項目可以充分了解家居環境的空氣質量，也可為家庭中消滅初期火災、天然氣泄漏等提供重要的數據參考和依據。

2.2 系統設計思路

根據系統設計要求，本文主要解決系統硬件電路的設計。包括采集數據的灰塵傳感器、VOC有害氣體傳感器、溫濕度傳感器、A/D轉換電路、控制和數據處理、接口電路、顯示和鍵盤電路等等。對于傳感器的選擇，目前市場上品類很多，以高性價比為主；控制和數據處理采用控制器STM32F103R8T6，該芯片內包含12位A/D轉換器、時間模塊、多個定時器和中斷等豐富的必用資源，性價比較高。

3 傳感器模組

3.1 灰塵傳感器

采用夏普光學灰塵濃度傳感器(GP2Y1014QU0F)，此傳感器內部成對角分布的紅外發光管和光電晶體管，利用光敏原理來工作。能測量PM2.5灰塵濃度和其他大顆粒粉塵。依靠輸出的脈沖高度來判斷顆粒濃度。

灰塵傳感器工作原理如圖1所示，電阻R31為限流電阻，三極管Q11采用C1815增加對傳感器3腳的驅動能力，供電電壓通過電阻R30為內部發光管提供電壓，電解電容C6存儲電能使1腳電壓保持穩定，傳感器5腳輸出和灰塵濃度成正比的脈沖電壓，電阻R31和R32為分壓電阻，保持合適電壓范圍提供給STM32控制器的A/D輸入端。

3.2 溫濕度傳感器

采用DHT11 數字溫濕度傳感器，它是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個 NTC 測溫元件，并與一個高性能 8 位單片機相連接。每個 DHT11 傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數以程序的形式儲存在 OTP 內存中。在20℃附近誤差0.5℃，濕度誤差±3%RH。

工作原理如圖2所示，此傳感器采用+3.3V供電，使其輸出數據電平兼容STM32芯片的數據電平，2腳為數據輸出引腳，連接至主控制器I/O端口，電阻R1為上拉電阻，在空閑狀態時使數據端保持高電平。3腳為空，4腳接地。

3.3 VCO有害氣體傳感器

采用KQ-2801氣味傳感器來實現的，本傳感器是一款廣譜氣體傳感器，對許多微量的還原氣體(或微毒性氣體分子)非常靈敏，這些氣體分子類型包括氨氣、氫氣、酒精、一氧化碳、甲烷、甲醛、丙烷、甘烷、苯乙烯、丙二醇、酚、甲苯、乙苯、二甲苯等有機揮發氣體、木材、紙張燃燒煙霧等。

氣體傳感器工作原理如圖3所示，傳感器的1腳為5V內部加熱端，2腳為地，3腳為傳感器供電端，4腳為傳感器模擬電壓輸出端，電阻R38和電位器RP1為負載電阻，調整電位器RP1的電阻可以校準氣體傳感器的輸出準確度，電阻R39和R40為分壓電阻，保持合適電壓范圍提供給STM32控制器的A/D輸入端。

4 系統設計

圖4為室內空氣質量測試系統整機方框圖。控制器STM32F103R8T6為設備的控制核心，通過灰塵傳感器、VOC有害氣體傳感器和溫濕度傳感器等采集模擬或者數字信號傳送至主控制器，經過A/D轉換或者數據接收等提供空氣質量的原始數據，然后控制器對這些數據進行分析、處理和校準；控制器控制不同顏色的LED和蜂鳴器作為報警電路，當空氣質量變化時，通過LED的不同發光色彩來提醒，當空氣中VOC有害氣體和灰塵濃度都變化較大時，作為災情啟動蜂鳴器報警；控制器通過串口把數據輸出至顯示鍵盤模塊，LED數碼管顯示當前空氣的灰塵濃度、VOC有害氣體濃度和溫濕度等，作為日常觀測用；控制器通過USB口與外部系統相連，及時把測試數據傳送至其他系統，作為室內空氣質量改善或者初期災情判斷的依據。

圖1：灰塵傳感器工作原理圖

本系統中灰塵濃度的采集是實現的難點，工作時序如圖5，首先需要控制器通過定時器產生周期10ms、脈寬為0.32ms的脈沖信號，一路脈沖信號返回到控制器的外部中斷引腳，觸發控制器產生0.28ms定時；另一路輸入至灰塵傳感器、使傳感器內部的紅外發光管點亮。灰塵傳感器檢測電路對周圍環境中的PM2.5的濃度值數據進行采集，輸出幅度和灰塵濃度成正比的脈沖式電壓信號，控制器在外部中斷觸發0.28ms后立即啟動A/D轉換器進行信號采集，將輸出電壓峰值及時轉為數字量，并將數據傳送給控制器數據處理中心，由微控制器對數據進行處理分析。

溫濕度傳感器采用單線制串行接口與控制器端口相連，信號傳輸距離可達 20 米以上。一次通訊時間4ms左右,一次完整的數據傳輸為40bit,高位先出，通訊過程如圖6所示。

總線空閑狀態為高電平,控制器把總線拉低等待DHT11響應, 控制器把總線拉低必須大于18毫秒,保證DHT11能檢測到起始信號。DHT11接收到控制器的開始信號后,等待控制器開始信號結束,然后發送80us低電平響應信號.控制器發送開始信號結束后,延時等待20～40us后, 讀取DHT11的響應信號, 控制器發送開始信號后,可以切換到輸入模式,或者輸出高電平均可,總線由上拉電阻拉高。總線為低電平,說明DHT11發送響應信號,DHT11發送響應信號后,再把總線拉高80us,準備發送數據,每一bit數據都以50us低電平時隙開始,高電平的長短定了數據位是0還是1，當最后一bit數據傳送完畢后，DHT11拉低總線50us,隨后總線由上拉電阻拉高進入空閑狀態，一組數據傳輸完畢。

圖3：VOC氣體傳感器工作原理圖

VOC有害氣體傳感器輸出信號為模擬電壓，連接到控制器的A/D模擬信號輸入端，輸出的模擬電壓與空氣中有害氣體濃度成正比，控制器啟動A/D轉換后，把模擬電壓轉換為數字信號，作為有害氣體的原始數據。

顯示鍵盤驅動采用集成電路TM1628，它是一種帶鍵盤掃描接口的LED驅動控制專用電路，最多支持7位LED數碼管，具有8級輝度調節，通過串行接口（CLK，STB，DIO）與控制器進行通信。

5 結果分析

圖4：空氣質量測試系統方框圖

圖5：灰塵傳感器工作時序圖

圖6：溫濕度傳感器單線串口工作時序圖

圖7：正反面實物圖

為了檢查系統的工作情況和測量結果，我們設計和制作本系統，圖7為制作實物圖，使用KEIL UV5編程環境編寫了測試程序，并進行了調試和測量，灰塵濃度、VOC有害氣體濃度和溫濕度都能準確的顯示出來，與預想的結果相一致。在試驗過程中，通過比對其他設備，溫濕度的顯示數值準確一致；然后把點燃的香煙或者紙條產生的少量煙霧穿過灰塵傳感器的通風口，灰塵濃度數值立刻向上增長，當煙霧消失后數值恢復到原來數值附近；同樣我們把酒精等揮發性有害的氣體的瓶口打開，并少量噴灑地面后，VOC的顯示數值同樣顯著向上增長，實踐證實，本次設計的系統工作狀態良好，得到了直觀的空氣質量測試效果。

6 總結

智能家居本身建設的目的就是為了給人們提供安全、舒適、便捷的生活環境，但是由于目前的智能化家居系統在多個方面顯現出許多不足之處，本文通過智能家居中空氣質量的測試系統的設計，可以對智能家居的發展起到一定程度的完善。該方案運用的多功能單片機控制技術、多類型傳感器和接口技術，充分融入到智能家居系統之中，使其組成更大的智能化系統平臺。