基于STM32的室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

萬麗娟，劉 穎，李 沖，張忠祥

(合肥師范學(xué)院 電子信息工程學(xué)院， 安徽 合肥 230061)

?

基于STM32的室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

萬麗娟，劉 穎，李 沖，張忠祥

(合肥師范學(xué)院 電子信息工程學(xué)院， 安徽 合肥 230061)

為了實(shí)時(shí)獲取室內(nèi)空氣質(zhì)量信息，系統(tǒng)集成多種傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至ARM微處理器。數(shù)據(jù)通過服務(wù)器發(fā)送至用戶終端APP，用戶通過屏幕獲取實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量信息，提高了系統(tǒng)的實(shí)用性。通過多地、多次和多項(xiàng)指標(biāo)的室內(nèi)空氣測量，證實(shí)該系統(tǒng)具有獲取數(shù)據(jù)快速、測量準(zhǔn)確、性能穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，具有一定的使用和推廣價(jià)值。

STM32；溫濕度；PM2.5；甲醛濃度；APP終端顯示

空氣質(zhì)量與健康密切相關(guān)。近年來，各大城市的霧霾天氣嚴(yán)重影響到人們的生活，室外空氣質(zhì)量的下降更是讓人們不得不重視對室內(nèi)空氣質(zhì)量的監(jiān)測。目前市場上的空氣質(zhì)量監(jiān)測產(chǎn)品以針對單一參數(shù)指標(biāo)的研究居多，例如溫度、濕度、甲醛等的監(jiān)測；[1-4]另外，對其中一至兩種指標(biāo)集成進(jìn)行研究也有報(bào)道，但是它們存在實(shí)用性不高且測量不準(zhǔn)等缺陷。本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32微處理器的室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，通過集成多種傳感器，通過無線模塊實(shí)時(shí)傳送數(shù)據(jù)至ARM微處理器處理，數(shù)據(jù)傳送模塊能夠?qū)F(xiàn)場TFT屏實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)發(fā)送至用戶終端APP，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)空氣質(zhì)量指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)主要由采樣模塊、ARM微處理器、無線傳輸模塊、TFT顯示模塊組成，如圖1所示。系統(tǒng)選用ST公司STM32的增強(qiáng)型系列STM32F103ZET6做處理器，該系列最高工作頻率可達(dá)72MHZ，能實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)算。[5]ARM微控制器是系統(tǒng)的核心部件，它控制著整個(gè)系統(tǒng)的工作流程。首先，STM32微處理器向采樣模塊發(fā)出信號，采樣模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，所采集的數(shù)據(jù)由微處理器進(jìn)行處理，然后實(shí)現(xiàn)(1)TFT液晶模塊現(xiàn)場顯示；(2)由無線模塊通過WIFI網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至用戶終端APP；(3)系統(tǒng)監(jiān)測到某一指標(biāo)超標(biāo)將自動報(bào)警。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

2.1 采樣模塊

采樣模塊集成溫濕度傳感器、灰塵傳感器、甲醛傳感器三種傳感器，由各傳感器采集信號并轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柊l(fā)送至STM32微處理器。系統(tǒng)采用AM2320溫濕度復(fù)合型傳感器，該傳感器采用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，內(nèi)含一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)高精度集成測溫元件，并與高性能的8位單片機(jī)相連，因此AM2302溫濕度傳感器具有超快響應(yīng)、可靠性、穩(wěn)定性和很強(qiáng)的抗干擾性能。小型電化學(xué)甲醛模組 ZE08-CH2O利用電化學(xué)原理對空氣中存在的CH2O進(jìn)行探測，具有良好的選擇性、穩(wěn)定性。該模塊內(nèi)置溫度傳感器，可進(jìn)行溫度補(bǔ)償，同時(shí)具有數(shù)字電壓(串行輸出)與模擬輸出。[3]激光PM2.5傳感器PMS1003采用光電元件作為檢測元件把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，根據(jù)電信號的變化就可以間接得到被測量的大小。[4]該傳感器響應(yīng)時(shí)間短，可測量范圍廣，計(jì)數(shù)效率高，受溫濕度等環(huán)境條件影響較小，所采集數(shù)據(jù)可通過UART輸出至STM32微處理器。各傳感器模塊所采集到的原始數(shù)據(jù)由STM32微處理器通過NRF24L01發(fā)送至中控模塊。系統(tǒng)采樣模塊如圖1所示，圖1a為PM2.5灰塵檢測模塊，圖1b為溫濕度傳感器與甲醛檢測傳感器，皆放置于系統(tǒng)主控板背面。

圖1a PM2.5灰塵檢測模塊

圖1b 溫濕度傳感器、甲醛檢測傳感器

2.2 中控模塊

中控模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，內(nèi)置NRF24L01無線模塊、WIFI模塊、蜂鳴器、TFT顯示模塊。由NRF24L01無線模塊接收來自采樣模塊的數(shù)據(jù)，STM32微處理器將對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。STM32微處理器分別將溫濕度兩個(gè)寄存器的高八位數(shù)據(jù)和低八位數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，得到有效的溫濕度數(shù)字信息。PM2.5傳感器和甲醛傳感器的輸出數(shù)據(jù)有固定格式，通過解析和對比固定格式的數(shù)據(jù)可提取有效的數(shù)字信息。

人體正常體溫穩(wěn)定在36.5-37℃，當(dāng)氣溫為28℃時(shí)，人體處于熱平衡狀態(tài)，皮膚溫度為34℃，感覺最為舒適。[6]調(diào)查顯示環(huán)境濕度為40%-60%時(shí)人體感覺較為舒適。PM2.5中細(xì)小的顆粒物攜帶著潛在的過敏源，很容易深入到肺部呼吸樹里面，更易引起呼吸疾病,及時(shí)檢測家中顆粒懸浮物很有意義。[7]參照國家的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，PM2.5在24小時(shí)內(nèi)的二級濃度限值的平均濃度最高值為75ug/m3。[8]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《居室空氣中甲醛的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：居室空氣中甲醛的最高容許濃度為0.08 mg/m3。[9]如果系統(tǒng)檢測到室內(nèi)空氣中甲醛含量或顆粒物含量超過預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，將會通過蜂鳴器、顯示屏、APP推送消息等多種方式告知用戶。

2.3 數(shù)據(jù)傳送模塊

本系統(tǒng)選用NORDIC公司的融合了高速、低功耗、低成本的2Mb/s工業(yè)級嵌入式2.4GHz無線收發(fā)芯片NRF24L01。[10]該芯片具有增強(qiáng)型的ShockBurst功能，集成了雙向通信所需要的鏈路層，通常需要一個(gè)高速的MCU和較大的RAM。[11]系統(tǒng)選用一款低成本W(wǎng)IFI-MCU，型號為ESP8266-14的通訊/控制模塊，該模塊內(nèi)置有STM8003單片機(jī)和WIFI通訊IC，體積小巧且信號穩(wěn)定，通過AT指令進(jìn)行控制，[12]具有透傳和AP基站等功能。系統(tǒng)在采集、處理數(shù)據(jù)后通過ESP8266無線傳輸將數(shù)據(jù)傳送至外網(wǎng)的TCP服務(wù)器，手機(jī)或PC端通過TCP服務(wù)器接收數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

系統(tǒng)采用無線傳送方式，包括(1)采樣模塊使用NRF24L01向中控模塊傳送原始的數(shù)據(jù)；(2)中控模塊通過WIFI網(wǎng)絡(luò)將實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量信息傳送至終端。

2.3.1 現(xiàn)場顯示

TFT液晶屏是一類有源矩陣液晶顯示設(shè)備，每個(gè)液晶像素點(diǎn)都是由集成在像素點(diǎn)后面的薄膜晶體管來驅(qū)動，從而可以達(dá)到高速度、高亮度、高對比度顯示屏幕信息。微控制器STM32F103ZET6的可用引腳豐富，基本實(shí)現(xiàn)IO資源的合理利用并確保顯示刷新速度。系統(tǒng)選用TFT液晶屏作為現(xiàn)場顯示器件，通過并行信號線傳輸、顯示數(shù)據(jù)，系統(tǒng)主控界面如圖2所示。在系統(tǒng)主控界面的左側(cè)為STM32F103ZET6核心板，右側(cè)放置WIFI模塊，中間為TFT現(xiàn)場顯示模塊。用戶設(shè)置待機(jī)時(shí)間后現(xiàn)場顯示模塊可自動進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

圖2 主控界面

2.3.2 無線終端顯示

現(xiàn)場顯示受到了空間限制，為方便用戶使用，系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)由WIFI網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至APP終端。中控模塊中WIFI模塊通過服務(wù)器將數(shù)據(jù)發(fā)送至APP終端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測。終端APP界面如圖3所示，界面中有終端APP所連接的服務(wù)器IP地址和端口信息、終端收到的數(shù)據(jù)信息和工具欄。

圖3 終端APP界面

3 軟件流程設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)涉及多個(gè)傳感器模塊與數(shù)據(jù)傳輸模塊，對實(shí)時(shí)性、可靠性要求較高，因此在可靠的硬件基礎(chǔ)上需要完整合理的軟件算法流程，流程圖如圖4所示。

圖4 軟件流程圖

3.2 終端數(shù)據(jù)處理

由傳感器采集的數(shù)據(jù)在終端處理器中進(jìn)行數(shù)據(jù)包的解析，PM2.5傳感器包協(xié)議第一位和第二位固定為0x42、0x4D，甲醛傳感器包協(xié)議首位固定為0xFF，在固定位后的固定位置即為要采集的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)采集完成并校驗(yàn)成功后可進(jìn)行下一步處理?？諝赓|(zhì)量指數(shù)(Air Quality Index，簡稱AQI)是定量描述空氣質(zhì)量狀況的無量綱指數(shù)。根據(jù)《中華人民共和國國家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)》(HJ663-2012)關(guān)于AQI的規(guī)定編寫計(jì)算AQI的程序，本系統(tǒng)AQI僅與PM2.5有關(guān)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

用購買的溫濕度計(jì)成品與本系統(tǒng)多次在校園內(nèi)不同地點(diǎn)同時(shí)測量，所得數(shù)據(jù)如表1，表中“測量值”為系統(tǒng)測量值，“實(shí)測值”為溫濕度計(jì)測量值與天氣網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測的PM2.5值?？紤]到成品溫濕度計(jì)有一定的誤差，在室外進(jìn)行了多次測量、記錄得表2數(shù)據(jù)。表1、表2為隨機(jī)選取的兩次測量數(shù)值。

分析多次測量數(shù)據(jù)，同一時(shí)間段內(nèi)在不同室內(nèi)環(huán)境下的溫濕度測量值有一定差異，但同一時(shí)刻同一環(huán)境下系統(tǒng)測量值與成品溫濕度計(jì)所測溫度值相近，濕度值誤差約為5-8%RH。PM2.5值在相對封閉的室內(nèi)比較穩(wěn)定，實(shí)訓(xùn)基地由于人多物雜而導(dǎo)致PM2.5值略高，男生寢室靠近學(xué)校操場和小樹林，因此PM2.5值為同時(shí)間段內(nèi)最高。在剛裝修或木質(zhì)用品較多的室內(nèi)如男生寢室和藝術(shù)樓，甲醛含量略高，但都在國家標(biāo)準(zhǔn)容許范圍內(nèi)。

對比分析表2中室外實(shí)時(shí)天氣預(yù)報(bào)值與系統(tǒng)測量值，系統(tǒng)在室外測量的溫度值與天氣預(yù)報(bào)值略有誤差，濕度值基本相同。同一時(shí)間段內(nèi)在室外測量的PM2.5值與網(wǎng)絡(luò)播報(bào)值相近。通風(fēng)良好的室外甲醛值低于室內(nèi)環(huán)境，因此相對封閉的室內(nèi)環(huán)境需要多通風(fēng)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該系統(tǒng)監(jiān)測狀態(tài)趨于穩(wěn)定，監(jiān)測數(shù)據(jù)較準(zhǔn)確。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種室內(nèi)空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，通過對空氣中的溫濕度、PM2.5和甲醛的實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)果分析，表明該系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠，且具有人機(jī)界面友好等特點(diǎn)，具有非常好的使用價(jià)值和推廣價(jià)值。

表1 系統(tǒng)測量值與實(shí)測值對比表

表2 系統(tǒng)測量值與天氣預(yù)報(bào)值對比表(室外)

[1] 李戰(zhàn)明，丁磊，瞿華.基于ARM的多功能溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器.2005(12):25-26.

[2] 劉德全.智能溫室溫濕度檢測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)與仿真[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索.2015(34):92-95.

[3] 韓明軒，李耀.一種甲醛檢測儀[J].電腦知識與技術(shù).2015(11):215-216.

[4] 楊永杰，張?jiān)伲瑮钯惓?，?一種PM2.5檢測傳感器設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng).2014(33):76-78.

[5] 張陳，李文靜.基于STM32的測力儀設(shè)計(jì)[J].測試技術(shù)學(xué)報(bào).2011(25):515-518.

[6] 王遠(yuǎn)飛，沈愈.上海市夏季溫濕效應(yīng)與人體舒適度[J].華東師范大學(xué)學(xué)報(bào).1998(3):59-66.

[7] Heidi O. Suspended particulate matter in indoor air: adjuvants and allergen carriers. Toxicology, 2000 (152):53-68.

[8] 中國環(huán)境科學(xué)研究院，中國環(huán)境監(jiān)測總站.GB3095-2012環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社，2012.

[9] 中國預(yù)防醫(yī)學(xué)科學(xué)院環(huán)境衛(wèi)生監(jiān)測所，北京醫(yī)科大學(xué)，遼寧省衛(wèi)生防疫站，等.GB/T16129-1995居住區(qū)大氣中甲醛衛(wèi)生檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方法[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[10] PARADISO J A，STARNER T. Energy Scavenging for mobile and Wireless Electronics. IEEE Pervasive Computing, 2005(4):18-27.

[11] 曾勇，楊濤，馮月輝.基于nRF24L01的超低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用.2008(7)：45-48.

[12] 陳煥，范淇元，龐權(quán)海，等.基于Wi-Fi協(xié)議的人體多生理信息采集與監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].科學(xué)中國人.2015(33):70.

Design of the Indoor Air Quality Monitoring System Based on STM32

WAN Lijuan, LIU Ying, LI Chong, ZHONG Zhongxiang

(SchoolofElectronicsandInformationEngineering,HefeiNormalUniversity,Hefei230601,China)

In order to obtain real-time information of indoor air quality, the system consisted of the integration of multiple sensors sent monitoring data to the ARM microprocessor via wireless network. When data were sent to the user of the terminal APP by the server, users can get real-time air quality information only through the screen, which improves the practicability of the system. Through multiple places, many times, and a number of indicators of the indoor air measurement, it is proved that the system has many advantages, such as getting data rapid, accurate measurement and reliable performance etc., and has a certain use and popularization value.

STM32; temperature and humidity; PM2.5; formaldehyde concentration; APP terminal display

2017-02-18

該研究獲“2014年省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2014A204) ”、“2011年院級基地項(xiàng)目(2011jd08)”和“2011年院級人才科研啟動基金(2011rcjj02)”支持。

萬麗娟(1980-)，女，合肥師范學(xué)院，博士，主要從事微納電子器件的研究。

TN925

A

1674-2273(2017)03-0015-04