基于單片機的智能家居環境檢測系統設計

文/幸聯星

（肇慶學院場館中心 廣東省肇慶市 526061）

全球工業污染的日益嚴重，導致空氣質量急劇下降，生活環境不斷惡化，人們在關注周邊環境的同時，也越來越重視家居環境。那么怎樣的家居環境才是最適合人們生活的環境呢？普遍認為室溫適中，過高或過低都對健康不利； 空氣濕度適中，不干不濕最健康； 空氣質量優良以上，污染的空氣影響健康[1]。為確保擁有優質的家居環境，實時家居環境檢測，獲取精確環境信息，顯得尤其重要。

目前能獲取家居環境信息途徑主要有以下兩種： 一是互聯網實時監測數據，二是家居環境檢測裝置。 前者監測范圍較大，往往特指某一城市的某一地區，且多為監測點數據，對于該地區住戶來說，僅能作為參考； 后者采用室內安裝或手持裝置，實時監測，精確性高，適用于各種家庭和辦公環境，然而大部分家居檢測裝置均為內置顯示屏顯示， 沒法實現遠程監控，難以實時了解家中情況，及時提醒老人小孩增減衣服或者通過其它智能機器如空氣凈化器、抽濕機等改變環境質量。 有鑒于此，本文提出基于51 單片機室內環境檢測系統的開發構想，實現對室內溫濕度、光強、 PM2.5 數據的檢測， 系統具備了常用環境數據檢測功能，除了實時顯示數據外，亦可通過手機 APP 遠程監測， 能滿足一般家庭和辦公場所環境監測需要。

1 系統功能簡述及電子元件選配

系統裝置通過灰塵傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、光強傳感器分別感知室內空氣中的 PM2.5（可入肺顆粒）、溫度、濕度、光照強度數據，通過芯片及程序分析和處理，將數據顯示在液晶屏上，最后通過 GSM 模塊將數據發送至服務器，客戶端可通過手機 APP 讀取服務器數據，從而實現遠程監控功能。

根據功能要求，筆者對市面主流的元器件進行篩選，通過對多款灰塵傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、光強傳感器、數據傳輸模塊等器件進行分析比較后[2]，決定采用以下功能完善、性格比高的器件構建本系統，各電子元件情況見表1。

2 系統設計及功能實現

圖1：STC89C52 最小系統電路圖

圖2：系統復位電路圖

圖3：時鐘電路

2.1 主控芯片最小系統設計

主控芯片采用 STC89 C52 微控制器（52 單片機），最小系統包括復位電路、時鐘電路、供電電路、外圍電路，外圍電路含各種傳感器電路、顯示器電路等[3]。如圖1 所示。

任何產品都不能排除會在啟動或運行過程中出現問題，此時要用到復位鍵（復位電路）來重啟程序。復位電路一般都是具備自動和手動兩種方式，手動復位其本質是內置電容的充放電，手動復位電路圖2所示，通過接9號的 RST引腳和 VCC引腳來實現重啟功能。

時鐘電路產生時鐘信號包括外部產生及內部產生兩種方式，本系統采用內部時鐘產生信號設計。如圖3 所示，相同數值30pf 電容元件，保證頻率穩定并能確保在特定頻率“起跳”。

系統電源電路相對簡單，均按照標準設計，能很好滿足系統需求，此處不再贅述。

2.2 溫濕度檢測功能的實現

2.2.1 電路設計

圖4：溫濕度傳感器電路

圖5：光強測量電路圖

圖6：灰塵檢測電路圖

如圖4 所示，將溫濕度傳感器原件2 號引腳與單片機的12 號引腳相連，外接一個3 K 電阻，1 號引腳接電源，4 號引腳接上地線，3 號引腳懸空，這樣的設計相對簡單，有利于手工焊接操作。

2.2.2 溫濕度模塊數據采集

采用單總線雙向串行通信協議，每次采集都要由單片機發起開始信號，然后DHT11 會向單片機發送響應并開始傳輸40 位數據幀，高位在前。 數據格式為：8bit 濕度整數數據+8bit 濕度小數數據+8bit 溫度整數數據+8bit 溫度小數數據+8bit 校驗位，溫濕度小數部分默認為0[4]。

2.3 光強檢測功能實現

2.3.1 電路設計

如圖5 所示，1 號引腳接5V 電源；2 號3 號接線方法類似，2 號接的單片機 P10 引腳，3 號接單片機 P11 引腳，分支接10 K 的電阻后再連接到電源端； 4 號ADD 引腳聯同5 號引腳一起接地線。

2.3.2 光強傳感器數據采集

單片機發送開始信號后，進入等待應答狀態， BH1750 FVI 傳感器接收指令完成測量后發送16 bit 數據，單片機接收數據之后響應，當傳感器沒有采集到數據發送時，單片機就不會發出采集信號，功耗降低。

2.4 灰塵檢測功能實現

2.4.1 電路設計

表1

如圖6 所示，傳感器 4 號腳與1 號腳懸空，2 號連接單片機的P32，3 號連接5V 電源端， 5 號接地線。電路相對簡單，容易焊接。

2.4.2 灰塵傳感器數據采集

ZPH01 粉塵PM2.5 傳感器模組是整合了成熟的VOC 檢測技術與先進PM2.5 檢測機理，實現對VOC 與PM2.5 的同時檢測。PM2.5 檢測單元采用粒子計數原理，可靈敏檢測直徑1μm 以上灰塵顆粒物，其結構和電路比較簡單。采用為紅外LED 光源，氣流進出風口主要靠電阻發熱以獲得熱氣流動，有顆粒通過即輸出高電平，輸出信號為PWM。

顯示功能與數據傳輸功能的實現此處不再贅述，需要特別注意的是顯示器元件焊接的引腳比較多，容易出錯，在制作時必須特別留意。

3 開發環境

3.1 下位機開發環境

系統使用keil 第四版51 系列兼容單片機C 語言軟件開發系統；使用Protues 軟件進行仿真測試；使用STC-ISP 進行編程燒錄。其中， Keil 是美國著名的一款 C 語言開發軟件，與匯編相比， C 語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優勢，它提供了眾多完整的開發發案供我們使用；Protues 是英國的一款EDA 工具軟件，近乎完美的概念設計，包括原理布線圖到一鍵切換到PCB設計等。STC-ISP 是一款單片機下載編程燒錄軟件，是針對STC 系列單片機而設計的，使用簡便，現已被廣泛使用。

3.2 手機APP開發環境

系統檢測數據獲取的另一條渠道為手機APP 顯示。由于安卓系統具有較高開源優勢，為開發者提供了較高開發自有度，因此，系統 App 前期將選擇基于 Android 平臺進行設計和開發，待條件成熟后進一步考慮基于 iOS 平臺的二次開發。

3.3 系統程序流程

系統程序流程設計如圖7 所示：程序運行開始，系統初始化，程序數據歸零，這個過程可以對上一次程序執行留下來的數據進行清零，避免前者對接下來檢測數據產生影響；主程序命令，調用濕溫度測量子程序、光強測量子程序和 PM2.5 測量子程序，獲取相關數值，經過模數轉化處理過程，在系統液晶屏上顯示，同時調用 GPRS 子程序，通過手機 APP 獲取數據信息，系統接收到獲取的信號，重復運行信號調用子程序，就可以實現即時更新，實時顯示的狀態。

圖7：程序整體流程圖

4 結論

本系統實現了溫濕度、光強、 PM2.5 幾種常用的環境數據的檢測，很好滿足家庭的需要，家庭成員都能夠通過手機 APP 實時查看裝置家里環境的情況，尤其是家長外出，小孩和老人在家時，可實時獲得環境信息，及時提醒家人增添衣服或者通過其它家庭的智能設備改變家居環境。