智能家庭環(huán)境因子監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梁東云，吳曉云

（商洛學(xué)院 健康管理學(xué)院，陜西商洛 726000）

隨著科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，人們的生活水平越來越高，居家環(huán)境的安全與舒適度越來越受到人們重視[1]，天然氣的濃度大小影響安全，空氣質(zhì)量及空氣溫濕度影響舒適度。根據(jù)需要設(shè)計(jì)了這款家庭環(huán)境因子監(jiān)控系統(tǒng)。有關(guān)家居環(huán)境研究的設(shè)計(jì)和產(chǎn)品市場上也有不少，但大部分設(shè)計(jì)和產(chǎn)品都是圍繞天然氣的濃度測試而設(shè)計(jì)開發(fā)的[2]。傳感器技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測方面的應(yīng)用[3-4]、通信技術(shù)在遠(yuǎn)程控制的作用[5-6]、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展也為本設(shè)計(jì)提供了可能[7-8]。本設(shè)計(jì)將傳感器、通信、互聯(lián)網(wǎng)三者結(jié)合起來，設(shè)計(jì)一款集天然氣濃度和空氣溫濕度的測試于一體的產(chǎn)品，它具有檢測精度高和信號傳輸穩(wěn)定的特點(diǎn)，且能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制。智能家庭環(huán)境因子監(jiān)控系統(tǒng)，采用STM32F103作為微處理器，控制各個(gè)傳感器采集電路、OLCD顯示電路和WIFI無線通信模塊電路。利用APP上位機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控室內(nèi)空氣質(zhì)量參數(shù)，通過SWEETIME32單片機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境因子的智能控制。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

智能家居控制系統(tǒng)以SWEETIME32單片機(jī)為控制核心[9-10]，將傳感器采集的數(shù)據(jù)輸送到SWEETIME32處理中心，數(shù)據(jù)處理后分別反饋到顯示屏和遠(yuǎn)程手機(jī)終端，系統(tǒng)分為自動(dòng)和手動(dòng)兩種模式控制空調(diào)和風(fēng)扇的開關(guān)。主人在家可以直接手動(dòng)處理，不在家可以通過手機(jī)遠(yuǎn)程處理，遠(yuǎn)程處理過程是：系統(tǒng)通過手機(jī)APP進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，采用溫濕度傳感器、可燃?xì)怏w傳感器、空氣質(zhì)量傳感器、風(fēng)扇和家用空調(diào)電器負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測并改善室內(nèi)空氣環(huán)境。手機(jī)發(fā)出指令，通過WIFI信號系統(tǒng)指揮SWEETIME32單片機(jī)啟動(dòng)繼電器，繼電器控制風(fēng)扇和空調(diào)的開關(guān)[11-12]，從而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣質(zhì)量的監(jiān)控。系統(tǒng)整體框如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 信號采集模塊

2.1.1 空氣質(zhì)量采集

MQ135氣體傳感器使用電導(dǎo)率較低的二氧化錫作為氣敏材料。當(dāng)二氧化錫遇到可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率與空氣可燃?xì)怏w濃度大小成正比關(guān)系。傳感器將氣體濃度信號轉(zhuǎn)變成電壓信號，DO引腳連接主控制系統(tǒng)的AO引腳，傳輸模擬信號至AD轉(zhuǎn)換器，旋轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號使主系統(tǒng)識別。電路圖如圖2所示。

圖2 MQ135電路圖

2.1.2 可燃?xì)怏w濃度采集

MQ5可燃?xì)怏w傳感器是電阻性傳感器，其電導(dǎo)率隨空氣中可燃燒氣體濃度的增加而增大。該傳感器電壓為5.0 V時(shí)，清洗傳感器上附著的雜質(zhì)持續(xù)60 s，隨后電壓降為1.5 V，對空氣中的可燃燒氣體濃度進(jìn)行檢測，持續(xù)時(shí)間為90 s，因此該傳感器檢測用時(shí)150 s。電路原理圖如圖3所示。

圖3 MQ5電路圖

2.1.3 溫濕度采集

DHT11的供電電壓為3～5.5 V。傳感器上電后，要等待1 s穿過不穩(wěn)定狀態(tài)，在此期間無需發(fā)送任何指令。數(shù)據(jù)端口上連接著一個(gè)10 K的上拉電阻，當(dāng)主控制器處于待機(jī)狀態(tài)或者未使用狀態(tài)時(shí)，一直使數(shù)據(jù)終端電壓狀態(tài)保持在高電平狀態(tài)[13]。在實(shí)際使用中，數(shù)據(jù)采集只需要將DOUT終端連接到MCU的I/O端口。電路原理圖如圖4所示。

圖4 DHT11電路圖

2.2 信號傳輸模塊

通過將無線模塊接入主控制系統(tǒng)，使主控制系統(tǒng)具備與云服務(wù)器和手機(jī)終端通信能力，把空氣質(zhì)量傳感器、可燃?xì)怏w傳感器、溫濕度傳感器獲取的參數(shù)發(fā)送到顯示屏和手機(jī)端[14]。將WRX引腳連接主控制系統(tǒng)的A8引腳用來發(fā)送指令，WTX引腳連接A4引腳是接收主控制系統(tǒng)反饋的信息，在電源與地引腳之間增加一個(gè)100 μf的電容，用以去耦濾波。電路圖如圖5所示。

圖5 WIFI模塊電路圖

2.3 控制電路

在設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，加入了排氣扇和空調(diào)來調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境，用繼電器控制這些電器進(jìn)行工作。在設(shè)計(jì)電路中，選用NPN晶體管驅(qū)動(dòng)，當(dāng)晶體管被輸入高電平時(shí)，晶體管就會(huì)飽和導(dǎo)通，集電極變成了低電平，繼電器線圈接通，觸電R31吸合。當(dāng)晶體管被輸入低電平時(shí)，晶體管就會(huì)中斷，繼電器線圈斷電，觸電R31斷開。通過吸合、斷開在電路中達(dá)到通、斷電[15]。電路原理圖如圖6所示。

圖6 繼電器控制電路

3 軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式，在自動(dòng)模式下，主控制系統(tǒng)接收傳感器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，判斷室內(nèi)環(huán)境參數(shù)是否超過設(shè)定的閾值。若達(dá)到閾值，便啟動(dòng)報(bào)警模式，蜂鳴器報(bào)警，發(fā)送信息至手機(jī)端，啟動(dòng)排氣扇，使用者及時(shí)處理突發(fā)情況。在手動(dòng)模式下，用戶通過上位機(jī)對系統(tǒng)進(jìn)行控制，并且可以控制空調(diào)開關(guān)使客戶回家就可以感受到適宜的環(huán)境[16-17]?？傮w設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。

圖7 總設(shè)計(jì)流程圖

4 系統(tǒng)功能測試

用戶通過手機(jī)APP下發(fā)指令，指令由云服務(wù)器傳輸?shù)较到y(tǒng)控制端，通過控制對象就可以對室內(nèi)空氣質(zhì)量進(jìn)行調(diào)節(jié)。溫濕度傳感器、空氣質(zhì)量傳感器、可燃?xì)怏w傳感器將采集到的室內(nèi)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)硬件OLCD顯示屏和WIFI模塊傳輸?shù)紸PP端進(jìn)行顯示。圖8和圖9分別為OLCD和APP顯示空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖8 系統(tǒng)測試圖

圖9 手機(jī)APP顯示

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的家庭環(huán)境因子監(jiān)控系統(tǒng)是以STM32為核心，采用DHT11數(shù)字芯片對溫濕度、可燃?xì)怏w傳感器和空氣質(zhì)量傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)對空氣質(zhì)量的檢測，并根據(jù)閾值做出相應(yīng)聲光的報(bào)警。該智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)是一款低成本、低功耗、使用方便的居家系統(tǒng)。