基于STM32 單片機的室內空氣監測系統的設計

劉艷峰

（甘肅省太陽能發電系統工程重點實驗室酒泉職業技術學院，甘肅酒泉，735000）

0 引言

隨著我國經濟快速發展和人民生活水平提高，人們對居住環境的要求也越來越高，所以室內空氣污染成為大家關注的焦點，對室內空氣質量也提出了更高的要求?？諝庵形廴疚锏臐舛仁窃u價室內空氣質量好壞的重要指標之一，傳統室內空氣監測在測試過程中都是采用人工操作，不具有自動測量功能，不僅效率低，而且容易造成環境污染。同時，也沒有很好地適應當前人們對室內空氣質量要求不斷提高的現狀。針對以上情況，設計了一種基于STM32 單片機的室內空氣監測系統，該系統將傳感器與單片機結合實現對室內溫濕度、甲醛、PM2.5 等環境參數的實時采集，并根據采集到的數據計算出相應的值，進而得到室內空氣參數實時濃度值，實現了對室內空氣實時監測和預警的目的，具有簡單實用，測量準確等優點[1]。

1 系統硬件設計

■1.1 系統硬件總體設計

室內空氣監測系統包括主控制器模塊、傳感器模塊、顯示模塊和藍牙模塊[2]。傳感器模塊主要實現數據采集，然后將模擬信號轉換為數字信號輸入到單片機中，通過軟件對傳感器信號進行處理和分析，當數值超過設定值時，則發出警報；顯示模塊負責實時顯示室內情況，以便及時提醒用戶采取相應措施；藍牙模塊連接上位機進行信息傳輸，達到實時監測的目的。

室內空氣質量監測主要是通過對室內環境中空氣成分的變化情況進行實時監控，并根據監測數據來判斷室內環境是否正常。該系統實現了室內環境參數的實時采集與顯示及遠程通信功能，具有性能可靠、安裝方便、操作簡單等特點，可用于環境空氣質量監測及預警，能夠滿足室內空氣質量監測要求，可實現在線實時測量室內空氣質量參數。系統硬件設計框圖如圖1 所示。

圖1 系統硬件框圖

■1.2 主控制器模塊

室內空氣監測系統的主控制器采用STM32F103 單片機，作為一種新型的嵌入式微處理器，該單片機具有高可靠性、體積小、易于維護等特點[3]。還具有良好的抗干擾能力，較高的穩定性和可擴展性。通過對STM32F103 單片機進行功能擴展設計，實現了數據采集、通訊、顯示和報警等功能，整個控制系統靈活方便，為用戶提供更多選擇和良好的使用環境。最小系統電路圖如圖2 所示。

圖2 單片機最小電路圖

■1.3 溫濕度采集模塊

溫濕度采集模塊采用 DHT11 數字型溫濕度傳感器，在單片機的控制下實現了對環境溫度、相對濕度的測量[4]。該傳感器測量精度高，抗干擾能力強，能實現溫度、濕度的連續測量。電路原理圖如圖3 所示。

圖3 溫濕傳感器電路圖

■1.4 PM2.5 采集模塊

PM2.5 采集模塊采用GP2Y1051AU0F粉塵傳感器，能夠實時測量PM2.5 濃度，通過對粉塵的檢測來判斷環境是否達標[5]。可在較短時間內完成對環境中顆粒物的檢測和收集工作。通過對傳感器所采集到的數據進行數據處理計算得到顆粒物濃度值，并將其換算成相應數值后輸入單片機，以實現對空氣質量狀況的實時監測與診斷。PM2.5 采集模塊電路圖如圖4 所示。

圖4 PM2.5 采集模塊電路圖

■1.5 甲醛采集模塊

甲醛采集模塊采用ZE08-CH2O 傳感器，將空氣中的甲醛濃度信號轉換為電信號，并通過串口傳輸到單片機，然后由單片機對電信號進行處理和分析，得到甲醛濃度信息，從而實現了甲醛檢測功能[6]。該傳感器內置溫度補償電路，當環境溫度發生變化時，可進行溫度補償。同時具有體積小、成本低等優點。甲醛采集模塊電路原理圖如圖5 所示。

圖5 甲醛采集電路

■1.6 顯示模塊

顯示模塊采用OLED顯示屏，主要功能用來顯示實時溫濕度、甲醛、PM2.5 等參數，可在各種環境下使用。具有響應速度快、大視角的特點，分辨率較高，由于不需要背光源，所以其功耗較低。顯示模塊電路圖如圖6 所示。

圖6 顯示模塊電路圖

■1.7 藍牙模塊

藍牙模塊把單片機采集到的數據傳輸給上位機，實現數據的傳輸。采用HC-06 藍牙模塊，具有重量輕、功耗低等特點[7]。該模塊可用于從機系統中傳輸數據和控制信號，也可以作為其他設備連接到從機或將其接入到主計算機上的通信單元使用，還可用于在從機與主計算機之間實現數據傳輸?？梢詽M足各種不同的通信需求。藍牙模塊電路原理圖如圖7 所示。

圖7 藍牙模塊電路原理圖

2 系統軟件設計

室內空氣監測系統的軟件部分主要實現的功能是數據采集、處理和分析，并將檢測數據傳送到主控制器。通過數據采集和分析，對室內污染狀況進行判斷，從而為用戶提供相應的環境管理依據。系統采用了模塊化設計方法，實現了功能劃分清晰、功能豐富、運行速度快等優點。

首先，系統進行初始化，用戶根據實際需要設定各個參數的閾值。然后將設置好的參數輸入到數據庫中。主控制器發出指令，控制各個采集模塊開始采集數據，采集到的數據通過藍牙模塊傳輸到主控制器中，同時顯示模塊顯示采集到的溫濕度、PM2.5、甲醛等實時參數值。主控制器對各個參數值進行處理，判斷各個參數值是否超過用戶設定的閾值，當檢測到有參數超出了設定的閾值時，主控制器啟動報警功能提醒用戶及時采取防護措施。如果沒有，則會自動進入下一個循環，系統繼續采集室內各個參數值。在主控制器的控制下，采集模塊自動完成工作，并向主控制器發送采集結果。在整個過程中，各子系統之間不存在交互關系。通過藍牙模塊與上位機連接，上位機可隨時獲取室內環境情況。由于藍牙具有較強的擴展性，可以滿足不同地區和場所的使用需求。同時，藍牙還可以支持多種協議以及無線局域網通信方式，以便于遠程監控和數據傳輸。主程序流程圖如圖8 所示。

3 結果分析

在實驗室環境下，對空氣監測系統進行測試與驗證。實驗數據是在連續7 天內，把同一時間同一測量點的測量結果經過加權平均得到的。所測的數據與標準數據進行對比，如圖9～圖12 所示。

圖9 PM2.5 濃度對比圖

圖10 甲醛濃度對比圖

圖11 相對濕度對比圖

圖12 溫度對比圖

圖13 某時刻上位機監測圖

本系統測量得到的PM2.5 濃度、甲醛濃度、相對濕度和溫度等參數與標準值基本吻合，誤差均在允許的測量范圍內，具有較高的精度，符合實際測量要求。上位機可以實時顯示室內環境參數值，并且有預警功能，當檢測到室內參數超過設定的上限或下限時發出警報。該系統在實驗中得到了較好的驗證，能夠很好地對環境參數進行監控。

4 結論

本文提出了一種基于STM32 單片機的室內空氣監測系統。文中詳細介紹了系統硬件結構及軟件設計，采用了模塊化設計思想，以STM32 單片機作為核心器件，以溫濕度、PM2.5、甲醛等采集模塊為外圍部件進行數據采集與處理，并將采集到的信息通過藍牙傳輸給上位機進行顯示和管理，實現了對室內溫度、濕度等環境參數的實時監控與報警功能。

實驗結果表明，該控制系統可以有效地采集并顯示室內PM2.5、甲醛等信息，具有較好的實用性。該系統對改善人們居住環境有著重要意義，同時為智能家居的設計提供了一個新的思路和方法。