基于ARM的遠程室內環(huán)境監(jiān)測與調控系統(tǒng)設計

項目資助：北方民族大學自治區(qū)級大學生創(chuàng)新項目經費（項目編號：2019-QJ-021）

摘要：室內環(huán)境檢測和調控系統(tǒng)可以實現(xiàn)對室內溫度、空氣濕度、氧氣含量、甲醛濃度等進行準確的測量，本文基于ARM操作平臺，采用C/S模式，設計一套穩(wěn)定、可靠、實用的遠程檢測控制系統(tǒng)，具備無線網絡連接功能和LED終端顯示功能，并借助智能設備讀取數(shù)據庫存儲的數(shù)據，調用程序指令，從而實現(xiàn)遠程操控，這對室內環(huán)境優(yōu)化調整具有重要意義，實用性強，市場前景十分廣闊。

關鍵詞：ARM;環(huán)境檢測;智能處理;顯示模塊

隨著人們生活水平的不斷提升，對所居住環(huán)境要求也越來越高，當前由于經濟發(fā)展和人們家居裝修需求，空氣質量不佳，對此能夠檢測環(huán)境各方面指數(shù)的系統(tǒng)設備受到社會各界高度關注。當前對室內環(huán)境監(jiān)測方面主要包括了對溫度、濕度以及空氣優(yōu)良指數(shù)相關的數(shù)值，其中溫度和濕度的測試在技術上實現(xiàn)相對簡單，但是裝修和其他活動產生的甲醛、苯氨、甲苯等有害物質，人們并不能直觀的感受到，長期生活在這樣的環(huán)境下，影響人們身體健康，因此設計出一套具備遠程操控和智能監(jiān)測系統(tǒng)對人們生活具有指導幫助作用[1]。當前，主流方式是采用GPRS和彩信實現(xiàn)遠程視頻監(jiān)控，并集成先進的處理器、傳感器模塊、無線數(shù)據傳輸功能，通過手機和電腦等終端實現(xiàn)數(shù)據智能化分析處理。

一、系統(tǒng)總體結構及工作原理

（一）系統(tǒng)結構

該系統(tǒng)總體上包括兩大部分，分別是本地檢測采集設備和遠程操控設備兩部分，其中本地檢測采集是該系統(tǒng)主要部分，根據功能可以劃分為數(shù)據分析處理系統(tǒng)和數(shù)據采集系統(tǒng)和數(shù)據傳輸系統(tǒng)三部分，這些系統(tǒng)集成了傳感器模塊、USB無線網卡、LED顯示、環(huán)境調控模塊、報警模塊等功能。在實際應用中，將需要測量的區(qū)域放置檢測采集設備，通過各種模塊進行數(shù)據采集分析處理，例如：各類傳感器模塊可以對空氣中的溫度、濕度、甲醛、氣壓、二氧化碳含量等進行實時監(jiān)測，并通過無線傳輸?shù)竭h程終端，根據需要反饋相應指令，通過環(huán)境調控模塊的紅外操控功能，實現(xiàn)對周圍空調、加濕器、凈化器等智能的控制，達到遠程操控的目的[2]。

（二）工作原理

首先根據對外監(jiān)測傳感器傳入的環(huán)境參數(shù)在處理器中進行分析加工，然后通過電信號轉換成具體數(shù)值，并將數(shù)據保存到固定的儲存卡內，這些數(shù)值便是整個系統(tǒng)對周圍環(huán)境監(jiān)測所采集分析出來的結果，通過與系統(tǒng)內部預設數(shù)值以及自身歷史數(shù)值進行對比，可以得出當前環(huán)境參數(shù)的前后變化和空氣優(yōu)良指數(shù)，一旦監(jiān)測數(shù)值超過預警線，系統(tǒng)將自動發(fā)送短信或者手機APP彈窗進行提醒，用戶則根據提醒掌握室內環(huán)境質量，并進行下一步操作，可以將提前設定好的數(shù)值反饋到處理器中，處理器根據預設對帶有紅外功能的設備進行操控。除此之外，監(jiān)測系統(tǒng)的各個模塊也可以通過用戶發(fā)送的指令進行開關控制，達到節(jié)省能耗和節(jié)約資源的目的。

二、系統(tǒng)軟、硬件設計

（一）硬件設計

系統(tǒng)硬件方面包括了核心處理器、傳感器、無線傳輸以及電源電路等硬件，其中核心處理器是數(shù)據處理分析的中樞，具有重要地位，通過各方面的綜合對比，發(fā)現(xiàn)STM32系列處理器，可以很好的實現(xiàn)目標需求，且能耗成本較低，性價比高，因此，本文采用的是型號為STM32F103ZET6的處理器，內部集成USB、CAN、定時器等功能[3]。

傳感器是系統(tǒng)的觸覺，是真實反映環(huán)境各項數(shù)據的關鍵部分，傳感器的優(yōu)劣將直接影響數(shù)據采集的準確程度，最終影響系統(tǒng)的性能和功效。氣壓測量選用BMP180傳感器，這是一種高精度數(shù)字壓力傳感器，具有低功耗、低電壓的優(yōu)點，穩(wěn)定性強，可以測量30—110kPa壓力范圍。對于氣溶膠顆粒檢測，本文選用GP2Y1050AU0F傳感器，其光散射原理能夠將PM1以上的顆粒準確檢測出來。溫度和濕度是基本的環(huán)境參數(shù)，采用AM2320溫濕度復合型傳感器進行相關參數(shù)測量，該傳感器適用性強，溫度測量范圍上限可達75攝氏度，下限達負35攝氏度，濕度測量能夠準確反映空氣0%—99.5%的濕度。除此之外，人們對環(huán)境中的甲醛含量較為關注，MS1100傳感器能夠準確偵測環(huán)境中0～100×10-6kg/m3濃度范圍內的氣體甲醛含量。

無線傳輸模塊起到了數(shù)據傳輸?shù)臉蛄鹤饔?，一般情況下傳感器監(jiān)測的各類數(shù)據都要通過無線傳輸模塊進行傳輸，與處理器之間的數(shù)據交換一般采用的是串口通信的方式，單電源供電。在GPRS模塊中SIM900A是一個比較實用的，供電范圍寬：3.2～4.8V;支持頻段：GSM/GPRS 900/1800MHz;易于封裝，能耗也低，性價比較高。

（二）軟件設計

系統(tǒng)正常運轉除了具備必要的硬件基礎外，還需要搭建軟件平臺，數(shù)據是固定的，但是如何通過數(shù)據轉化為人們所能看懂的數(shù)值并且準確反映環(huán)境參數(shù)，是軟件分析工具所需要完成的任務，首先需要將底層硬件初始化，通過處理器自帶的A/D轉換功能，將傳感器采集的參數(shù)進行轉化，在經過無線傳輸和人工反饋后，各項指令會通過處理器發(fā)送到各個帶有紅外功能的設備中，如何保證設備準確接受這些參數(shù)，并正確反映，需要軟件不斷進行測試和調整。以氣溶膠懸浮顆粒傳感器為例，我們通過不同環(huán)境溫度下測得具體數(shù)據進行分析：

如上表所示，其傳感器測試存在誤差，這就對測量精度有一定的影響，因此需要在軟件設計方面進行優(yōu)化，防止因為單個數(shù)值誤差較大，產生不必要的反應，或者發(fā)出錯誤的指令，影響系統(tǒng)正常運轉。

三、結語

基于ARM的遠程室內環(huán)境監(jiān)測與調控系統(tǒng)能夠對室內溫濕度、各類氣體含量、氣壓大小等方面進行準確的探測，并且通過軟件優(yōu)化后，能夠智能化處理分析相關數(shù)據，做出科學判斷，其穩(wěn)定性和可靠性較強，能夠滿足人們對室內環(huán)境監(jiān)測控制要求。

參考文獻：

[1]張加宏， 潘周光， 劉進，等. 基于ARM的遠程室內環(huán)境監(jiān)測與調控系統(tǒng)設計[J]. 現(xiàn)代電子技術， 2017（02）：12-15.

[2]樊清，陳一民. 基于ARM嵌入式技術的室內環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)設計[J]. 可編程控制器與工廠自動化（5期）：93-95.

[3]盧令，蔡樂才，高祥， 等.基于物聯(lián)網的室內空氣質量智能感知與凈化系統(tǒng)[J].四川理工學院學報（自然科學版），2018，31（4）：63-67.

作者簡介：

黃正淦，北方民族大學。