基于STM32 的室內溫濕度及空氣質量監測

四川交通職業技術學院信息工程系 唐俊濤

隨著社會的快速發展，建筑物也不斷地增多，人們對建筑物的依賴性較強，但往往會忽略室內空氣質量的問題。本文以溫度、濕度、TVOC、CO2、PM2.5 等5個指標作為監測對象。為了實現室內溫濕度及空氣質量（TVOC、CO2、PM2.5）的監測及可視化，在硬件方面則以STM32F103RCT6 微控制器為核心、傳感器為感知對象、Wi-Fi 模塊為物聯網的無線傳輸通道，將傳感器采集的數據經STM32 處理后傳給Wi-Fi 模塊并通過Wi-Fi 模塊無線上傳至云端或App 端可視化。用戶也可以通過App 端或云端實時查看室內溫濕度及空氣質量（TVOC、CO2、PM2.5）的情況或者修改其極限告警參數，從而實現自動告警的作用。

《2019 中國室內空氣污染狀況白皮書》指出：室內空氣污染嚴重，不合格比例高達74%[1]。室內環境問題關系到居民身體健康，根據國家“十四五”全面推進健康中國建設，把保障人民健康放在優先發展的戰略位置[2]，堅持預防為主的方針，深入實施健康中國行動，完善國民健康促進政策，織牢國家公共衛生防護網，為人民提供全方位全周期健康服務[3]。

為了解室內的環境并進一步探析室內的空氣質量狀況，本論文以空氣凈化器的傳感器采集過程為分支，對室內溫濕度及空氣質量的監測進行展開分析，可以實時監測室內的溫度、濕度、PM2.5、TVOC、CO2等5 項信息，以明確當前室內的空氣質量狀況。

1 系統結構及組成

本論文的設計以室內溫濕度及空氣質量監測為應用場景，實現溫濕度及空氣質量的采集并無線傳輸到手機App 端或云端可視化，從而方便人們實時觀察室內的溫濕度及空氣質量的情況。

本設計主要由STM32系統電路、Wi-Fi收發電路、OLED顯示電路、PM2.5檢測電路、溫濕度采集電路、TVOC、CO2傳感器電路、電源管理電路等組成，如圖1 所示。

圖1 總體設計原理圖Fig.1 General design schematic diagram

整體工作原理是所有傳感器采集數據，主控模塊處理傳感器采集的數據并將處理好的數據傳給無線收發模塊，無線收發模塊再將主控傳來的數據無線傳輸給智能網關，智能網關再將數據以網絡的方式傳給手機App 端或云端可視化；用戶也可以通過手機App 端或云端向主控發送命令極限監測告警值，當某一項監測參數超過對應極限監測值蜂鳴器鳴叫告警。

主控芯片是STM32F103RCT6，其優點是與51 單片機相比STM32F103RCT6 單片機最多支持5 個串口收發功能，而傳統的51 單片機只有1 個串口收發功能；從引腳功能來看STM32F103RCT6 的每一個端口有8 種工作狀態，而51單片機則沒有這么豐富的功能；從執行的速度來看傳統51單片機是很難追趕STM32 單片機的，STM32F103RCT6的執行速度更快且穩定。

2 硬件電路設計

整個電路的繪制使用的是Altium Designer 13 軟件設計的，由于整個系統較大，故采用了層次電路設計將整個項目劃分成了4 個模塊：

（1）電源管理模塊：主要由USB 接口、高低頻濾波電容、自鎖按鈕、電源指示燈、5V 轉3.3V 降壓芯片、二極管、備用電源等組成。其中，USB 接口采用的是Micro USB 數據接口，電源指示燈Power 采用的是LED 發光二極管，SW-SPDT 采用的是自鎖按鈕開關，5V 轉3.3V降壓芯片采用的是LM1085IS-3.3 芯片。

（2）采集與顯示模塊：包括OLED 顯示電路、溫濕度采集電路、PM2.5 采集電路、TVOC、CO2采集電路。其中，OLED 顯示電路由OLED 顯示模塊、外圍上拉電阻構成；溫濕度采集電路由HTU21D 芯片、上拉電阻構成；PM2.5 采集電路由ZPH02 模塊、3.3V 和5V 串口通信電平轉換電路構成；TVOC、CO2采集電路由SGP30 模塊構成[4]，如圖2 所示。

圖2 采集與顯示模塊電路設計Fig.2 Circuit design of acquisition and display module

（3）處理模塊：包括STM32 系統電路、Wi-Fi 收發電路、蜂鳴器報警電路。其中，STM32 系統電路由STM32 F103RCT6 芯片、下拉電阻、晶振電路、復位電路、濾波電路構成；Wi-Fi 收發電路由ESP-01s 模塊、復位電路、高低頻濾波電路、上拉電阻構成；蜂鳴器電路由無源蜂鳴器、驅動電路構成。

（4）串口調試與下載模塊：包括ISP 下載電路、Wi-Fi與STM32 手動切換下載電路、SWD 串口調試電路。其中，ISP 下載電路由CH340G 芯片、晶振電路、3.3V 和5V 串口通信電平轉換電路構成；Wi-Fi 與STM32 手動切換下載電路由晶體管、MSS-22D18G2 雙排六腳二檔滑動開關、電阻構成；SWD 串口調試電路由4PIN 單排彎針構成。

3 主控芯片STM32F103RCT6 電路圖

STM32F103RCT6 電路圖如圖3 所示。

圖3 主控芯片STM32F103RCT6 電路圖Fig.3 Circuit diagram of main control chip STM32F103RCT6

圖3為精簡主控芯片電路，主要由R10 和R11 下拉電阻和STM32F103RCT6 芯片構成。其作用是控制整個外圍設備的運行或解析外圍設備采集的數據，從而實現用戶預先設計的功能。

4 系統軟件程序設計

系統運行流程圖如圖4 所示。

圖4 系統運行流程圖Fig.4 System operation flow chart

本文主要以Keil 5 軟件為開發對象，并利用C 語言在Keil 5 軟件上為STM32 單片機編寫應用程序。FlyMcu軟件為STM32 單片機程序燒錄的對象，并結合CH340G下載電路將Keil 5 軟件編譯生成的Hex 文件燒錄至STM32 單片機。

5 總結

通過本次設計，利用STM32F103RCT6 微控制器為核心可以實現通過底層傳感器采集室內溫濕度及TVOC、CO2、PM2.5，并通過處理后進行顯示及報警，能及時提醒人們所處環境健康指標，以便實時調整至最優空氣質量，最大程度保護了人民的生命健康質量。