基于無線通信的多功能室內環境檢測系統設計

邵英淼，李晶晶，馬麗娜，王 楠，高 瑞

（沈陽城市建設學院，遼寧 沈陽 110167）

現階段，室內空氣質量被人們越來越多地關注，在無線通信技術飛速發展的今天，人們也在考慮將該技術應用到空氣質量的檢測領域當中，實現監測、控制、改善的目的，以降低空氣污染對人體健康的損害。

本系統采用STM32F103單片機作為主控部件，通過各個傳感器，比如溫度傳感器、濕度傳感器等相互結合的檢測方式，對室內可吸入顆粒物質量濃度、溫度、相對濕度等進行實時檢測和智能調控，可實時監測各種空氣質量指標，具有抗干擾能力強、低功耗、便攜式、智能化等特點[1-2]。

1 系統硬件設計

本系統抗干擾能力強，可以實現室內空氣質量檢測、動態監控、指標顯示等功能，具有功耗低、便攜、智能等優點。整個系統設計框架如圖1所示。硬件設計與軟件設計是由基于無線通信的多功能室內環境檢測系統的兩大核心組成。

在硬件設計中，主要涉及微控制器核心模塊、電源模塊、藍牙模塊、空氣質量檢測模塊、全球移動通信系統（Global System for Mobile Communication，GSM）無線通信模塊、液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）顯示模塊、按鍵控制模塊和語音預警模塊的設計。其中，按鍵控制模塊負責完成數據信息的輸入及顯示結果的輸出，比較重要的數據信息包括CH2O和PM2.5等。在實際的數據信息超過預設值時，會觸發報警裝置，以聲音的形式提醒使用者室內空氣質量存在不足，并通過LCD顯示模塊顯示。最后，可以使用GSM通信模塊，以短消息的形式將空氣質量的相關情況發送到使用者的移動終端設備，形成智能聯動。

1.1 微控制器核心模塊

本模塊采用STM32F103嵌入式控制芯片為核心控制裝置，以控制各個系統模塊的協調工作。首先，控制傳感器裝置收集溫濕度及CH2O，PM2.5等的質量濃度信號；其次，通過放大電路和模擬/數字（Analog/Digital，A/D）轉換將收集到的信號進行轉換[1]。裝置將其發送到單片機，然后單片機做出決定并發出相應的指令來顯示、報警和控制房間的空氣質量。

圖1 整個系統設計框架

1.2 無線通信模塊

無線通信模塊的核心技術是GSM技術，也是當前移動通信系統中最成熟、使用最廣泛的技術[2]。GSM模塊具有基于GSM網絡所有通信的基本功能，例如，發送短信息服務（Short Message Service，SMS）文本消息、語音呼叫、GPRS數據傳輸。

無線通信模塊使用德國西門子工業GSM模塊TC35i，是支持中文短消息的工業級GSM模塊，適用于EGSM900和GSM1800雙頻。電流消耗：休眠狀態為3.5 mA，空閑狀態為25 mA，傳輸狀態為300 mA（平均值），峰值2.5 A；可以使用GSM通信模塊，以短消息的形式將空氣質量的相關情況發送到使用者的移動終端設備，形成智能聯動。

1.3 室內環境檢測模塊

該模塊由3部分組成：溫濕度檢測電路、CH2O質量濃度檢測電路和PM2.5檢測電路。其中，溫濕度檢測基于以單總線技術為核心的DHT11傳感器，無需外部A/D轉換模塊，可以同時傳輸時鐘信號和數據的雙向信號線[3]。

CH2O質量濃度檢測電路使用TP-4型常溫氣體傳感器。清潔空氣不同溫濕度狀態下的電阻值Rs，是傳感器判斷污染程度的重要依據，尤其是對低質量濃度的空氣污染物最為敏感[4]。

PM2.5檢測電路使用Sharp公司的GP2Y10AU0F灰塵傳感器。主要工作原理是非接觸式測量，技術核心為光測量技術，檢測對象為煙草、花粉和粉塵的質量濃度，具有使用成本低、抗干擾能力強、功率低、效能高的特點。

1.4 藍牙2.4 G模塊

藍牙2.4 G模塊選用深圳市藍嵌科技有限公司的CC2541藍牙模塊，內置256 Kbyte可插除存儲器，能提供編程輸入/輸出（Programming Input/Output，PIO）模型、通用異步收發傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）、串行外設接口（Serial Peripheral Interface，SPI）、通用串行總線輸出Universal Serial Bus，USB）接口工作頻段2.402～2.480 GHz，接受靈敏度達到-88 dB，最大可達-94 dB[5]。STM32F103系統通過藍牙模塊與主機通信。主機能實時顯示測量數據，并通過液晶顯示器顯示出來。

2 系統軟件設計

軟件部分主要使用Keil軟件進行C語言編程。系統主程序運行在STM32F103最小系統中。使用時，先初始化設備，以完成參數的設定，隨后再對各個功能模塊的功能函數進行調試，最終要實現能夠進行數據信息的采集、分析、輸出、預警以及信息互聯的智能化功能。

當傳感器能夠正常工作后，初始化程序會啟動，如果無法正常啟動，則傳感器會顯示錯誤信號。如果正常，則STM32F103單片機讀取每個傳感器的數據信號并進行數據處理，確定是否超過預設閾值。超過閾值會進行報警，報警內容會通過GSM無線通信模塊發送到使用者的移動終端設備，而且發送的內容會被顯示和儲存到程序當中，為以后進行系統擴展保留數據支持。當流程完成后，系統將會進行下一個流程，這是一個反復的過程。系統軟件流程如圖2所示。

圖2 系統軟件流程

3 結語

本系統充分利用STM32F103芯片、多種傳感器與GSM無線通信模塊等之間的密切配合，基于無線通信方便、快捷及功耗低的特點，實現實時檢測室內環境信息數據、報警和智能調控功能，讓系統達到高效、高速和高精確度的目的，滿足人們對空氣質量檢測的需求。