李倩 操長(zhǎng)茂 曾慶琦 丁紫萍 祝文欣

摘要：隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，空氣質(zhì)量指數(shù)也越來(lái)越受關(guān)注，除了關(guān)注室外空氣指數(shù)外，關(guān)注室內(nèi)空氣指數(shù)也同樣對(duì)我們的身體健康起著至關(guān)重要的作用。本設(shè)計(jì)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于智能家居之中，實(shí)現(xiàn)了一種可以準(zhǔn)確的采集到室內(nèi)溫度濕度以及空氣中懸浮顆粒物數(shù)據(jù)的裝置，該裝置可以通過(guò)液晶顯示和無(wú)線傳輸?shù)绞謾C(jī)上顯示的方式，使用戶(hù)實(shí)時(shí)掌握室內(nèi)氣體環(huán)境，對(duì)維護(hù)良好健康的室內(nèi)環(huán)境具有重要的實(shí)踐應(yīng)用意義。

關(guān)鍵詞：藍(lán)牙 空氣質(zhì)量指數(shù) 智能家居

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）07-0180-02

1 引言

智能家居是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中最熱門(mén)的行業(yè)，健康和環(huán)保是社會(huì)發(fā)展的主題。將智能家居和健康環(huán)保相結(jié)合能使人們更加關(guān)注自己所處的室內(nèi)環(huán)境，并能采取積極的措施改善室內(nèi)環(huán)境，從而擁有一個(gè)更加舒適的室內(nèi)環(huán)境。目前大多數(shù)人關(guān)注空氣質(zhì)量都是通過(guò)天氣預(yù)報(bào)里的數(shù)據(jù)，然而那些宏觀的數(shù)據(jù)只能反映室外大范圍的空氣質(zhì)量，而不能準(zhǔn)確到室內(nèi)。但是室內(nèi)灰塵、二手煙、廚房油煙等都會(huì)使PM2.5的數(shù)據(jù)高升。所以關(guān)注室內(nèi)空氣質(zhì)量有重要的意義。而目前室內(nèi)空氣指數(shù)檢測(cè)裝置并沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用，一方面由于市面上該類(lèi)設(shè)備精度高但操作復(fù)雜，另一方面很少有設(shè)備能將數(shù)據(jù)無(wú)線分享從而達(dá)到真正智能。本設(shè)計(jì)可以準(zhǔn)確的采集到室內(nèi)溫度濕度以及空氣中懸浮顆粒物的數(shù)據(jù)，并能通過(guò)液晶顯示和手機(jī)顯示，具有操作簡(jiǎn)單，性?xún)r(jià)比高，數(shù)據(jù)讀取方便的優(yōu)點(diǎn)。

2 系統(tǒng)方案

本設(shè)計(jì)采用PM2.5傳感器得到懸浮顆粒物的數(shù)據(jù)，采用DHT11溫濕度傳感器得到室內(nèi)溫濕度的數(shù)據(jù)，以STM32F103單片機(jī)作為主控單元，將室溫信號(hào)和懸浮顆粒物的數(shù)據(jù)處理并顯示在液晶上，并驅(qū)動(dòng)藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至手機(jī)端。系統(tǒng)的整體框架圖如圖1所示。

2.1 主控芯片模塊

本設(shè)計(jì)以STMicoelecronics公司的STM32F103單片機(jī)作為主控單元。STM32F103是32bit基于ARM核心的微控制器，多達(dá)112個(gè)快速I(mǎi)O口，2個(gè)I2C接口，5個(gè)USART接口，3個(gè)SPI接口。足以滿足與傳感器的通信以及數(shù)據(jù)的液晶顯示和藍(lán)牙傳輸。且該款單片機(jī)還具有運(yùn)算速度快，精度高的優(yōu)點(diǎn)。

本設(shè)計(jì)主要用到了單片機(jī)上的兩個(gè)串口，一個(gè)用于和藍(lán)牙通信，一個(gè)用于和PM2.5激光傳感器通信。還用到了一個(gè)IO口，通過(guò)檢測(cè)及控制其PWM波，得到溫濕度。此外，還通過(guò)32個(gè)IO口與分辨率為320x240的LCD連接。

2.2 懸浮顆粒物檢測(cè)

為了控制生產(chǎn)成本并保證數(shù)據(jù)精度，本設(shè)計(jì)采用國(guó)內(nèi)一流水準(zhǔn)的激光PM2.5傳感器，其型號(hào)為G3。該傳感器可以準(zhǔn)確測(cè)量出空氣中PM1.0；PM2.5；PM10的數(shù)據(jù)，最高精度為ug/m3。

傳輸協(xié)議：該傳感器串口默認(rèn)波特率9600Kbps，傳送的數(shù)據(jù)為24個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié)長(zhǎng)8位。1～4字節(jié)是起始符和幀長(zhǎng)度標(biāo)識(shí)符；5～22字節(jié)是數(shù)據(jù)位，其中5～10表示在CF=1，標(biāo)準(zhǔn)顆粒物下PM1.0；PM2.5；PM10濃度的高八位和低八位，11～16表示在大氣環(huán)境下PM1.0；PM2.5；PM10濃度的高八位和低八位，17～22為數(shù)據(jù)保留位。此外，23～24位為校驗(yàn)位。數(shù)據(jù)處理的方式只需將采集到的數(shù)由十六進(jìn)制轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制即可，校驗(yàn)方式為：校驗(yàn)碼=起始符1+起始符2+......數(shù)據(jù)9低八位。

工作原理：懸浮顆粒物經(jīng)過(guò)空氣通道進(jìn)入光散射測(cè)量腔體，激光照射在這些顆粒上產(chǎn)生散射，同時(shí)在某一特定角度收集散射光，得到散射光強(qiáng)隨時(shí)間變化的曲線。進(jìn)而微處理器利用基于米氏理論的算法，得到顆粒物的等效粒徑及單位體積內(nèi)不同粒徑的顆粒物數(shù)量，再將這些數(shù)據(jù)交給單片機(jī)處理即可。

2.3 溫濕度檢測(cè)

本設(shè)計(jì)采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器采集室內(nèi)溫濕度，傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件。它應(yīng)用專(zhuān)用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。該傳感器測(cè)量精度較高、抗干擾能力強(qiáng)、性?xún)r(jià)比極高，適合用于本設(shè)計(jì)之中。

傳輸協(xié)議：一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40bit，高位先出。數(shù)據(jù)格式：8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit校驗(yàn)和。數(shù)據(jù)傳送正確時(shí)校驗(yàn)和數(shù)據(jù)等于“8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)”所得結(jié)果的末8位。單片機(jī)發(fā)送一次開(kāi)始信號(hào)后（大于18毫秒的低電平信號(hào)），DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，等待主機(jī)開(kāi)始信號(hào)結(jié)束后，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，送出40bit的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信號(hào)采集，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)處理即可。如圖2所示。

2.4 藍(lán)牙模塊

本設(shè)計(jì)采用DX-BTO5 4.0藍(lán)牙模塊。該藍(lán)牙模塊配置256Kb空間，支持AT指令，支持UART接口，支持與蘋(píng)果手機(jī)和安卓手機(jī)的連接，滿足我們的設(shè)計(jì)要求。此外，該模塊還具有靈敏度高、功耗低、體積小、性?xún)r(jià)比高等諸多優(yōu)點(diǎn)。

下位機(jī)STM32將溫度，濕度，PM2.5的值打包成特定格式的一幀數(shù)據(jù)，通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送給上位機(jī)，然后上位機(jī)解包，最后在安卓手機(jī)上顯示出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。由于本設(shè)計(jì)使用的此款藍(lán)牙模塊內(nèi)部已經(jīng)集成了藍(lán)牙的協(xié)議棧，所以我們用類(lèi)似于串口的方法操控這個(gè)藍(lán)牙模塊就可以了。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)部分主要包括單片機(jī)和傳感器之間的通信，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的處理以及藍(lán)牙的無(wú)線傳輸。利用STM32F103的串口可以接收激光PM2.5傳感器采集的數(shù)據(jù)，再用算法將我們所需的數(shù)值提取出來(lái)并轉(zhuǎn)化成十進(jìn)制的數(shù)即可。在數(shù)據(jù)處理的過(guò)程中可以用上位機(jī)觀察采集的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確。利用STM32F103的IO口提供高低電平給DHT11溫濕度傳感器，控制其開(kāi)始工作。再利用串口接收總線上的數(shù)據(jù)，通過(guò)判斷總線上高低電平的時(shí)序可以判斷數(shù)據(jù)是1或是0，從而獲取溫濕度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)獲取后利用藍(lán)牙模塊發(fā)送即可。如圖3所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)制作了一種無(wú)線室內(nèi)空氣指數(shù)檢測(cè)儀，以STM32F103單片機(jī)作為主控單元，采用激光PM2.5傳感器采集懸浮顆粒物的數(shù)據(jù)，采用DHT11溫濕度傳感器獲取室內(nèi)溫濕度的數(shù)據(jù)，將室溫信號(hào)和懸浮顆粒物的數(shù)據(jù)處理并顯示在液晶和手機(jī)上。經(jīng)實(shí)際測(cè)試實(shí)驗(yàn)，本設(shè)計(jì)操作方便，檢測(cè)進(jìn)度高，完全符合檢測(cè)室內(nèi)空氣指數(shù)的要求。

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