基于ARM智能空氣檢測(cè)與凈化器的設(shè)計(jì)

何偉剛+李政林+章帆

摘 要： 為了滿足人們對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量的需求，設(shè)計(jì)一種智能空氣檢測(cè)與凈化器。該裝置以STM32F103RCT6單片機(jī)為核心控制器，采用PM2.5傳感器、溫濕度傳感器、甲醛傳感器、有害氣體傳感器等對(duì)空氣進(jìn)行檢測(cè)，通過等離子和負(fù)離子發(fā)生器產(chǎn)生大量的等負(fù)離子，利用等負(fù)離子的吸附和中和反應(yīng)達(dá)到除塵、殺菌等作用，使空氣得到凈化。該裝置通過WiFi連接入互聯(lián)網(wǎng)，使用手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)設(shè)備的數(shù)據(jù)查看和控制。實(shí)驗(yàn)表明，該設(shè)計(jì)具有功能化，智能化，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程查看數(shù)據(jù)以及控制設(shè)備的能力。

關(guān)鍵詞： 空氣凈化； 智能監(jiān)測(cè)； 凈化器； 互聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號(hào)： TN911?34； TN722 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）12?0090?03

Abstract： In order to satisfy the demand for indoor air quality， an intelligent air detection and purification device was designed. The STM32F103RCT6 is taken as the core controller of the device， the PM2.5 sensor， temperature?humidity sensor， formaldehyde sensor and harmful gas sensor are used in the device to detect the air， and a mass of plasma?anions are generated through plasma and anion generators. The adsorption and neutralization reactions of plasma?anions are adopted to eliminate the dust， perform the sterilization to purify the air. The device is connected into Internet through WiFi， which can check and control its data by means of APP embedded in mobile phone. The device is a functional and intelligent one， and can check the data and control the appliance remotely.

Keywords： air purification； intelligent monitoring； purification device； Internet

空氣是人賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，它和人們的身心健康具有十分密切的關(guān)聯(lián)。近年來，我國的經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，人們的生活水平也得到了很大的改善和提高，但是不斷出現(xiàn)了環(huán)境污染問題，特別是愈演愈烈的霧霾問題。同時(shí)，室內(nèi)空氣的污染問題也不容樂觀。

工作或居住環(huán)境相對(duì)封閉化，再加上室內(nèi)裝修材料造成的室內(nèi)環(huán)境污染。更容易對(duì)人們健康的造成影響。當(dāng)代人的工作，生活?yuàn)蕵返拇蟛糠謺r(shí)間都是在室內(nèi)進(jìn)行[1?4]，可想而知，室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量對(duì)人體健康有著直接的影響。針對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量的現(xiàn)狀，本設(shè)計(jì)旨在設(shè)計(jì)一種能夠?qū)κ覂?nèi)環(huán)境中的溫度、濕度、PM2.5以及甲醛、苯、硫化物、煙霧等有害氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并能夠有效凈化空氣的智能系統(tǒng)。同時(shí)，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使該系統(tǒng)通過WiFi接入互聯(lián)網(wǎng)，制作手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)設(shè)備的數(shù)據(jù)查看和控制。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體框架設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由空氣檢測(cè)、空氣凈化及物聯(lián)網(wǎng)查看控制三大部分組成，如圖1所示?？諝鈾z測(cè)部分主要通過多種傳感器，細(xì)致地檢測(cè)當(dāng)前室內(nèi)的空氣質(zhì)量以及污染物的情況，并經(jīng)單片機(jī)進(jìn)行處理；同時(shí)，當(dāng)計(jì)算得到的空氣質(zhì)量超過標(biāo)準(zhǔn)值，系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)空氣凈化裝置，對(duì)污染的空氣進(jìn)行凈化，同時(shí)可以在人機(jī)交互界面上顯示警報(bào)信息，并通過蜂鳴器進(jìn)行聲音報(bào)警提示，而且通過系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，可以進(jìn)行查看系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)或者操作凈化器等功能。同時(shí)，該設(shè)備具備物聯(lián)網(wǎng)功能，系統(tǒng)通過WiFi模塊鏈接上路由器把數(shù)據(jù)上傳的互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

1.2 硬件整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主控模塊主要使用STM32F103RCT6芯片，傳感器部分主要由光照度傳感器、PM2.5傳感器、溫濕度傳感器、有害氣體傳感器、甲醛傳感器組成，如圖2所示，用于檢測(cè)空氣參數(shù)?？諝鈨艋糠种饕娠L(fēng)扇、等離子發(fā)生器和負(fù)離子發(fā)生器組成。電源部分是12 V的鋰電池，可以通過平衡充模塊對(duì)其充電；SD卡部分主要用于保存數(shù)據(jù)，人機(jī)交互界面通過TFT觸摸屏；WiFi接口電路用于放置WiFi模塊，設(shè)備通過WiFi模塊連接入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)控制和查看數(shù)據(jù)；蜂鳴器主要用于發(fā)出聲音提示。

系統(tǒng)使用ST公司的32位ARM芯片STM32F103RCT6作為系統(tǒng)的核心，其集成了高性能的ARM Cortex?M3架構(gòu)的32位RISC內(nèi)核，能夠處理各種復(fù)雜的數(shù)據(jù)運(yùn)算及任務(wù)[5?6]。它已被開發(fā)，以提供一種低成本平臺(tái)滿足MCU的需求實(shí)施方式中，具有較低的管腳數(shù)和低功率消耗，還有非常好的數(shù)據(jù)處理能力以及中斷響應(yīng)機(jī)制。

空氣凈化部分主要采用目前比較推崇的等離子和負(fù)離子技術(shù)，這種技術(shù)相對(duì)安全、有效?？諝鈨艋K采用KJF04 DC 12 V等離子發(fā)生器，主要工作原理是將輸入的12 V直流電壓通過升壓電路升至正負(fù)高壓，此時(shí)正負(fù)高壓電會(huì)離空氣產(chǎn)生大量正負(fù)離子，周圍空氣中的細(xì)菌等會(huì)因?yàn)檎?fù)電荷中和反應(yīng)所釋放的大量能量死亡，從而具有殺菌的作用[7]。等離子發(fā)生器產(chǎn)生的負(fù)離子對(duì)空氣有清新作用。

2 軟件整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后會(huì)開始進(jìn)行系統(tǒng)變量初始化。這個(gè)階段系統(tǒng)會(huì)初始化所有全局變量、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、創(chuàng)建最低優(yōu)先級(jí)空閑任務(wù)，創(chuàng)建6個(gè)空數(shù)據(jù)鏈表：空任務(wù)控制塊鏈表、空隊(duì)列控制塊鏈表、空事件控制塊鏈表、空標(biāo)志組鏈表、空內(nèi)存控制塊鏈表、空閑定時(shí)器控制塊鏈表。初始化完系統(tǒng)變量后，先創(chuàng)建開始任務(wù)，由開始任務(wù)創(chuàng)建讀取傳感器任務(wù)、按鍵任務(wù)、主任務(wù)、LED任務(wù)、蜂鳴器任務(wù)、WiFi物聯(lián)任務(wù)。創(chuàng)建完后便開始掛起開始任務(wù)，然后初始化硬件，并開中斷[8]。多任務(wù)管理器接下來會(huì)根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)在就緒表中查找優(yōu)先級(jí)最高的，并操作資源切換到該任務(wù)執(zhí)行，μC/OS?Ⅱ系統(tǒng)通過定時(shí)中斷的方式實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性見圖3。每個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍到來，就會(huì)進(jìn)入一次定時(shí)中斷[8]。中斷后檢測(cè)是否有重要任務(wù)需要運(yùn)行并進(jìn)行任務(wù)切換，運(yùn)行新的任務(wù)或者繼續(xù)運(yùn)行本任務(wù)，確保實(shí)時(shí)性。

機(jī)智云是通過WiFi模塊與MCU以串口通信來實(shí)現(xiàn)的，所以要在MCU端根據(jù)編寫串口事件來解析接收的數(shù)據(jù)包以及發(fā)送數(shù)據(jù)到機(jī)智云[9]如圖4所示。

按照通信協(xié)議，發(fā)送的數(shù)據(jù)也有按照協(xié)議封裝在數(shù)據(jù)幀里，以便WiFi端或機(jī)智云端識(shí)別。數(shù)據(jù)區(qū)的只讀數(shù)據(jù)，包含了系統(tǒng)檢測(cè)空氣質(zhì)量的參數(shù)，用結(jié)構(gòu)體封裝起來，方便管理。根據(jù)設(shè)備需求，首先需要注冊(cè)、登錄、找回密碼、修改密碼、設(shè)備查找、配置設(shè)備、設(shè)備登錄以及設(shè)備數(shù)據(jù)顯示控制等功能如圖5所示。機(jī)智云的API提供有匿名、手機(jī)號(hào)碼、郵箱三種注冊(cè)方式，該系統(tǒng)的APP設(shè)計(jì)為郵箱注冊(cè)[10]。

3 系統(tǒng)測(cè)試

進(jìn)行軟件仿真可以很方便對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試，里面的斷點(diǎn)執(zhí)行以及單步執(zhí)行可以很容易檢測(cè)某一個(gè)函數(shù)的功能見圖6。通過板子的SW接口，然后配置好仿真參數(shù)，點(diǎn)擊進(jìn)入仿真按鈕，程序自動(dòng)下載。之后就可以進(jìn)行各項(xiàng)仿真測(cè)試了。

空氣檢測(cè)部分主要測(cè)量空氣的溫濕度、PM2.5、光照度、有害氣體、甲醛，所以對(duì)相關(guān)傳感器的靈敏度、準(zhǔn)確度進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試時(shí)，先在TFT交互界面的功能菜單圖標(biāo)里，選擇傳感器數(shù)據(jù)圖標(biāo)，進(jìn)入傳感器數(shù)據(jù)顯示界面，該界面可以看到系統(tǒng)所有傳感器的數(shù)據(jù)；然后就是對(duì)每個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，為了測(cè)試凈化效果及效率，將兩個(gè)凈化模塊放入透明封閉亞克力板箱子里，箱子除了頂蓋其他面全部封閉，在箱子的底部放上一張彩色的紙張。當(dāng)煙霧充滿箱子，從頂部看不到底部的彩色紙張時(shí)，合好頂蓋，防止煙霧漏出。接下來給兩個(gè)模塊接上12 V的直流電源，測(cè)試從上電到箱子頂部清新看到底部的彩色紙張所需要的時(shí)間如表1所示。

經(jīng)過系列的測(cè)試，從測(cè)試的數(shù)據(jù)可以知道系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，凈化空氣的效果良好，對(duì)空氣污染物的檢測(cè)非常及時(shí)，對(duì)于檢測(cè)到有害氣體能及時(shí)發(fā)出報(bào)警，且體積小，也方便人們攜帶到其他空間使用。

4 結(jié) 語

本設(shè)計(jì)的設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)空氣污染物和凈化空氣，通過人性化的TFT交互界面可以進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、查看日志、控制凈化器開關(guān)、設(shè)置系統(tǒng)工作模式等，讓人們可以了解自己工作生活的空氣環(huán)境質(zhì)量，同時(shí)能夠通過該設(shè)備有效凈化空氣，改善生活空氣品質(zhì)。該設(shè)計(jì)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，讓人們可以通過手機(jī)APP就很方便地查看設(shè)備所在的室內(nèi)的空氣參數(shù)以及控制設(shè)備，讓人們得到智能化、人性化、方便快捷的服務(wù)。

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