基于單片機(jī)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)與凈化系統(tǒng)

汪琪　楊洪濤

【摘 要】為滿足對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)控，保護(hù)人體健康，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)與凈化系統(tǒng)。本文以STM32單片機(jī)作為核心處理器，利用DHT11溫濕度傳感器、MQ空氣質(zhì)量傳感器及負(fù)離子凈化器設(shè)計(jì)了其硬件電路，編制了相應(yīng)監(jiān)控軟件和手機(jī)APP，利用WIFI無(wú)線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控與報(bào)警。同時(shí)通過(guò)APP遠(yuǎn)程控制負(fù)離子凈化設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行凈化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)與凈化系統(tǒng)性能良好，可精確檢測(cè)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，有效凈化室內(nèi)環(huán)境，還具有低成本、高性能、使用方便的特點(diǎn)，具有較好的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】STM32單片機(jī);室內(nèi)環(huán)境;無(wú)線通信;遠(yuǎn)程監(jiān)控;凈化系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TP216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）20-0018-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.20.007

1 背景介紹

室內(nèi)空氣質(zhì)量問(wèn)題一直關(guān)系著人們的身心健康，近年來(lái)，有不少學(xué)者對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行研究，如文獻(xiàn)1設(shè)計(jì)了一種室內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)，利用溫濕度傳感器、PM2.5傳感器對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行采樣，并反饋給用戶。文獻(xiàn)2設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的室內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)，能夠自動(dòng)采集室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，通過(guò)控制空調(diào)來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整室內(nèi)環(huán)境溫度。文獻(xiàn)3設(shè)計(jì)了一種室內(nèi)環(huán)境報(bào)警系統(tǒng)，具有對(duì)溫度、煙霧、可燃?xì)怏w的監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)上傳功能，并且具有自動(dòng)報(bào)警功能，也可通過(guò)手機(jī)進(jìn)行查詢。但以上研究成果大都是僅對(duì)溫濕度、可燃?xì)怏w濃度、PM2.5值進(jìn)行監(jiān)測(cè)，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行改善的，因此本文研究設(shè)計(jì)了一種基于STM32單片機(jī)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)與凈化系統(tǒng)，采用了傳感器列陣結(jié)構(gòu)管理多個(gè)不同類型的傳感器，利用APP遠(yuǎn)程監(jiān)控和WI-FI技術(shù)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境全面智能化監(jiān)測(cè)和報(bào)警，同時(shí)采用負(fù)離子空氣凈化設(shè)備對(duì)空氣進(jìn)行凈化、除塵、滅菌，改善室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量。

2 系統(tǒng)工作原理

本文設(shè)計(jì)的環(huán)境監(jiān)測(cè)與凈化系統(tǒng)主要由環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊（溫濕度檢測(cè)、室內(nèi)氣體污染物濃度檢測(cè)）、單片機(jī)控制模塊、顯示模塊、空氣凈化功能模塊、WIFI遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊、報(bào)警模塊組成。環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊中利用相應(yīng)傳感器對(duì)當(dāng)前室內(nèi)的溫濕度、CO等多種氣體濃度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)處理后在顯示模塊中進(jìn)行顯示，并通過(guò)WIFI模塊傳送到用戶手機(jī)APP中，再?gòu)腁PP中讀取控制指令發(fā)送回單片機(jī)，對(duì)凈化模塊進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境的凈化。同時(shí)在APP中可以設(shè)定溫度、濕度及各種氣體濃度的上下限，當(dāng)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)值超出界限時(shí)，可啟動(dòng)報(bào)警蜂鳴器及發(fā)送警報(bào)信號(hào)給APP實(shí)現(xiàn)智能報(bào)警。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊

環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊硬件電路原理圖如圖2所示，其中利用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器實(shí)時(shí)采集溫濕度數(shù)據(jù)。該傳感器可實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)輸出，其單線制串行接口引腳接單片機(jī)的PA5引腳，能夠有效、可靠的采集溫濕度數(shù)據(jù)，測(cè)溫范圍為0-50℃，測(cè)量精度為±2℃，測(cè)量濕度范圍為20%-90%RH，測(cè)量精度為±5%RH。MQ-9氣體傳感器可檢測(cè)一氧化碳、甲烷多種可燃性氣體，對(duì)液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，具有雙路信號(hào)輸出。將傳感器模擬量輸出通道接入單片機(jī)ADC采集接口PA7，將模擬量轉(zhuǎn)變成數(shù)字量后，再通過(guò)公式換算得出濃度值，可檢測(cè)一氧化碳濃度范圍為10-1000ppm。同時(shí)利用GP2Y1010AU0F粉塵傳感器檢測(cè)PM2.5值，其模擬量輸出通道接入單片機(jī)ADC采集接口PA6，此傳感器的輸出電壓范圍為0.9V-3.6V，通過(guò)單片機(jī)自帶ADC采集通道將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，通過(guò)相關(guān)公式轉(zhuǎn)換成PM2.5值。當(dāng)傳感器最大電壓值為3.6V時(shí)，此時(shí)測(cè)量得到的PM2.5值為510ug/m3，因此檢測(cè)范圍為：0-510ug/m3。

3.2 WIFI模塊

WIFI模塊硬件電路原理圖如圖3所示，該模塊使用ESP8266串口，TXD引腳接入單片機(jī)的PA0-WKUP引腳，RXD引腳接入單片機(jī)的PA1引腳，主要用于實(shí)現(xiàn)APP的遠(yuǎn)程控制功能。

3.3 凈化模塊

該模塊使用負(fù)離子空氣凈化裝置，如圖4（a）所示，通過(guò)雙電極片之間的電弧將空氣中的污染物顆粒擊穿并吸附在電極片上，實(shí)現(xiàn)空氣的凈化，其額定工作電壓為220V，額定頻率為50～60HZ，額定工作電流≤10mA，額定工作電壓≤1W，負(fù)離子濃度為5.5*106pcs/cm3。凈化模塊的控制電路原理圖如圖4（b）所示，由于負(fù)離子空氣凈化裝置的額定工作電壓為DC12V，單片機(jī)無(wú)法直接通過(guò)IO口對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，因此需要額外的電壓隔離或繼電器對(duì)凈化裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，本設(shè)計(jì)采用繼電器驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電壓的轉(zhuǎn)換，將單片機(jī)IO口輸出的5V電壓轉(zhuǎn)換成凈化裝置所需要的12V控制電壓，以保證設(shè)備的正常運(yùn)行。單片機(jī)引腳輸出高點(diǎn)平時(shí)，光耦導(dǎo)通，則繼電器線圈得電，產(chǎn)生磁性，將觸點(diǎn)吸合以驅(qū)動(dòng)凈化裝置，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制凈化器裝置的工作運(yùn)行。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)軟件主要由初始化模塊、WIFI模塊、環(huán)境參數(shù)采集模塊、AD轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理模塊、負(fù)離子空氣凈化模塊組成。

在上電后對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，對(duì)GPIO接口進(jìn)行分配。首先進(jìn)行WIFI配置，配置成功后，由監(jiān)測(cè)模塊中的各個(gè)傳感器對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，由于系統(tǒng)需要多個(gè)傳感器同時(shí)工作，在單片機(jī)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中引進(jìn)多任務(wù)機(jī)制，借用單片機(jī)的內(nèi)部定時(shí)器中斷服務(wù)程序作為調(diào)度主程序，以產(chǎn)生精確的單位時(shí)間片，在定時(shí)器中斷服務(wù)程序中設(shè)置一個(gè)軟件計(jì)數(shù)器，由計(jì)數(shù)器的現(xiàn)行值作為各個(gè)模塊是否執(zhí)行的依據(jù)。AD轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理模塊主要將傳感器輸出的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并進(jìn)行存儲(chǔ)，經(jīng)處理器處理后傳輸至顯示模塊進(jìn)行顯示。WIFI模塊負(fù)責(zé)單片機(jī)與手機(jī)APP之間的通信，用來(lái)收發(fā)數(shù)據(jù)。負(fù)離子空氣凈化模塊程序通過(guò)對(duì)比數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，當(dāng)采集數(shù)據(jù)值超出設(shè)定范圍時(shí)，由APP發(fā)送控制指令，通過(guò)WIFI模塊給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)而控制繼電器來(lái)啟動(dòng)負(fù)離子空氣凈化裝置實(shí)現(xiàn)凈化功能。

軟件設(shè)計(jì)主程序流程圖如圖5所示，該程序采用模塊化編程的方法，對(duì)各個(gè)功能模塊分別編寫(xiě)?yīng)毩⒌暮瘮?shù)，并對(duì)應(yīng)不同的標(biāo)志位，主程序通過(guò)判斷各個(gè)模塊對(duì)應(yīng)的標(biāo)志位執(zhí)行相應(yīng)的函數(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)模塊的控制。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照上述設(shè)計(jì)方案，將STM32單片機(jī)、DHT11傳感器、MQ空氣質(zhì)量傳感器以及液晶顯示器等硬件連接制成實(shí)驗(yàn)板，把所編寫(xiě)的程序燒錄進(jìn)單片機(jī)內(nèi)，上電后實(shí)際使用所得檢測(cè)結(jié)果如圖6所示，空氣濕度為81%RH，溫度為25℃，PM2.5值為25ug/m3，與傳統(tǒng)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置所測(cè)得數(shù)值相比較，空氣濕度相差2%，溫度相差1℃，PM2.5值相差為2ug/m3，可以精確檢測(cè)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)。

6 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)與凈化系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)溫濕度、一氧化碳濃度及PM2.5值等相關(guān)空氣指標(biāo)進(jìn)行穩(wěn)定可靠、精確的監(jiān)測(cè)，讓用戶實(shí)時(shí)了解室內(nèi)空氣質(zhì)量，并具有空氣凈化功能，用戶可通過(guò)手機(jī)APP遠(yuǎn)程監(jiān)控，能夠較好地適用于日常室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測(cè)。

圖6 實(shí)物應(yīng)用圖

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