張宇鑫 徐云捷 董文亮

【摘 要】為進一步實現(xiàn)室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測裝置智能化，在空氣質(zhì)量監(jiān)測裝置的基礎(chǔ)上改進并增加智能控制模塊，從而實現(xiàn)空氣質(zhì)量的自動調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)采用STM32作為微處理器，集成多種傳感器，實現(xiàn)對室內(nèi)溫濕度、甲醛濃度、PM2.5濃度的實時采集和顯示，同時微處理器根據(jù)檢測結(jié)果實現(xiàn)對空氣凈化裝置、開窗裝置、加濕器的智能控制，保證室內(nèi)空氣質(zhì)量符合健康要求。

【關(guān)鍵詞】STM32;溫濕度;甲醛濃度;PM2.5濃度;自動控制

一、前言

近年來，空氣污染問題頻頻發(fā)生，同時隨著生活水平的顯著提升，人們對于自身健康也越來越重視。空氣質(zhì)量品質(zhì)與人們的身體健康密切相關(guān)。據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)代人一天有80%的時間是在室內(nèi)活動[1]。相比于室外，室內(nèi)空氣質(zhì)量的優(yōu)劣對人們的健康影響更大，因此人們對智能調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣質(zhì)量的需求愈來愈迫切。本文設(shè)計了一種基于STM32微處理器的室內(nèi)空氣質(zhì)量智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過集成多種傳感器，經(jīng)微處理器處理，TFTLCD顯示屏實時現(xiàn)場顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過藍牙模塊傳送至終端APP，并實現(xiàn)對加濕器、空氣凈化裝置、開窗裝置等設(shè)備的自動控制。

目前對于空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的研究也很廣泛，其中文獻[1]采用FPGA作為主控器處理傳感器采集的溫濕度、一氧化碳等信息，通過藍牙實現(xiàn)與手機APP通信，同時控制步進電機轉(zhuǎn)向來控制風扇、濾網(wǎng)實現(xiàn)室內(nèi)外空氣交換。文獻[2]實現(xiàn)對溫濕度、PM2.5監(jiān)測，并利用PWM輸出實現(xiàn)風扇轉(zhuǎn)速的多級調(diào)節(jié)，實現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度及報警。文獻[3]采用ARM設(shè)計室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測裝置，實現(xiàn)對溫濕度、PM2.5、甲醛的實時監(jiān)測顯示，并通過WIFI模塊傳送至手機APP顯示。在空氣質(zhì)量檢測裝置的基礎(chǔ)上加以改進優(yōu)化，實現(xiàn)對空氣凈化裝置、加濕器、空調(diào)、開窗器等家用設(shè)備的智能控制來優(yōu)化室內(nèi)空氣質(zhì)量。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)主要包括微處理器、各傳感器模塊、TFTLCD液晶顯示模塊、電源模塊和藍牙傳輸模塊。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示。微處理器是整個系統(tǒng)的核心模塊，實現(xiàn)對各傳感器所采集到的信號處理計算后并在TFTLCD液晶顯示屏上實時顯示，同時通過HC-08藍牙模塊與手機端互聯(lián)，將數(shù)據(jù)傳送至手機終端APP中顯示。

三、系統(tǒng)功能及實現(xiàn)

（一）傳感器模塊

溫濕度傳感器選用AM2301溫濕度傳感器，是一款含已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度符合傳感器，數(shù)據(jù)傳輸采用單總線機制，并與一個高性能8位單片機相連，具有超快響應(yīng)、可靠性、穩(wěn)定性和很強的抗干擾性能。該傳感器溫度分辨率8/16bit、濕度分辨率8/16bit，濕度正常測量范圍0-99.9%RH，溫度為-40-80攝氏度。

甲醛傳感器選用MS1100傳感器。該傳感器能夠檢測多種半導(dǎo)體揮發(fā)性有機物（VOCs）混合氣體，對甲醛最為敏感，對苯、醇類等也會反應(yīng)，具有極高的靈敏度和穩(wěn)定性。該傳感器為模擬量輸出，經(jīng)過模數(shù)模塊轉(zhuǎn)換后可得到甲醛濃度。其中甲醛濃度轉(zhuǎn)換公式為：

Log（ppm） = -1.095 + 0.627Uout? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

Log（ppm） = -2.631 + 1.528 Uout + 0.125 U2out? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

其中（1）式為濃度（ppm）與模擬輸出電壓Uout的一階等式，（2）式為二階等式。

PM2.5傳感器選用GP2Y1014AU傳感器。該傳感器內(nèi)部利用光敏原理，通過成對角分布的紅外發(fā)光管和光電晶體管來監(jiān)測空氣中的灰塵放射光。其輸出模擬電壓正比于所測得粉塵濃度，故通過電壓值即可計算出空氣中的灰塵和煙塵的濃度。根據(jù)傳感器的輸出特性曲線可知：在0-0.5mg/m3范圍內(nèi)，PM2.5濃度轉(zhuǎn)換公式為：DustDensity = 0.17*Uout – 0.1。傳感器輸出為模擬量，采用ADC0832進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，其中Uout = ADout * （3.3/4096）。

（二）主控模塊

微處理器作為整個系統(tǒng)的核心，負責完成統(tǒng)籌整體、數(shù)據(jù)計算、控制傳輸?shù)裙δ?。本次設(shè)計選用ST公司的STM32F103ZET6增強型32位單片機，帶256K或512K字節(jié)閃存和高達64K的SRAM，擁有USB和CAN通信接口、11個定時器、3個12位精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器、2個I2C接口、5個USART串口接口和112個GPIO接口，外圍資源豐富，性能穩(wěn)定，基本能夠滿足本次設(shè)計需求。相比于傳統(tǒng)C51單片機，STM32功能更加強大，資源更加豐富，容量更大，運行速度更快，且性價比更優(yōu)。

（三）通信模塊

本設(shè)計選用HG-08藍牙模塊，該模塊用于系統(tǒng)與小范圍內(nèi)終端設(shè)備的無線通信，通過將單片機輸出的串口信號轉(zhuǎn)換為無線信號，與終端設(shè)備如手機進行藍牙互聯(lián)，從而實現(xiàn)在手機端APP上實時獲取系統(tǒng)的檢測數(shù)據(jù)信息。

（四）顯示模塊

TFTLCD即薄膜晶體管液晶顯示器，是一類有源矩陣液晶顯示設(shè)備，每一個像素由一個集成在像素點后面的薄膜晶體管來驅(qū)動，可有效地克服非選通時的串擾，使顯示液晶屏的靜態(tài)特性與掃描線數(shù)無關(guān)，進而實現(xiàn)高亮度、高對比度、高速的顯示信息。其視覺效果好，多尺寸可選的優(yōu)點能夠滿足不同用戶的需求。同時STM32F103ZET6型單片機，外設(shè)IO引腳豐富，基本能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動液晶屏實時刷新顯示數(shù)據(jù)。故系統(tǒng)選通TFTLCD液晶屏作為現(xiàn)場顯示模塊。

（五）繼電器輸出電路

繼電器輸出電路用于實現(xiàn)對加濕器、開窗器等具有開關(guān)特性的家用設(shè)備進行開關(guān)控制，微處理器通過輸出高低電平實現(xiàn)繼電器的開斷。

（六）紅外發(fā)射電路

紅外發(fā)射電路用于實現(xiàn)對空洞、空氣凈化器等具有遙控特性的家用設(shè)備進行開關(guān)控制。

四、裝置測量結(jié)果

用溫濕度計成品與該裝置系統(tǒng)在不同地點進行同時間測量，得出數(shù)據(jù)如表1所示。分析數(shù)據(jù)知，在相同時間，不同室內(nèi)環(huán)境的溫濕度、PM2.5、甲醛濃度均不相同，但相同時間地點的測量結(jié)果基本相近。

五、室內(nèi)空氣質(zhì)量智能調(diào)節(jié)

（一）溫濕度調(diào)節(jié)

室內(nèi)空氣溫濕度對人體舒適度起著很重要的作用。當環(huán)境溫度為18-25℃，相對濕度在40%-70%時，人體感覺最為舒適。[4] 若環(huán)境溫濕度指標未達到人體舒適度指標，微處理器發(fā)出控制信號，控制繼電器電路控制加濕器、開窗裝置工作或控制紅外發(fā)射電路來啟動空調(diào)工作，直至室內(nèi)空氣溫濕度符合人體最佳舒適度。

（二）甲醛濃度和PM2.5濃度調(diào)節(jié)

依據(jù)我國《居室空氣中甲醛的衛(wèi)生標準》規(guī)定，居室空氣中的甲醛的最高容許濃度為0.08mg/m3。[5]按照我國《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》規(guī)定，PM2.5濃度在24小時內(nèi)的二級（居住區(qū)、文化區(qū)等）濃度限制的平均濃度最高值為75μg/m3。根據(jù)上述指標分別設(shè)定相應(yīng)的界限值，若室內(nèi)空氣中甲醛含量或PM2.5含量超過人體健康標準，將啟動蜂鳴器報警，同時向用戶終端APP發(fā)送警告信息。同時微處理器發(fā)出控制信號，控制紅外發(fā)射電路來啟動空氣凈化器工作，直至室內(nèi)空氣質(zhì)量水平達到要求。

六、結(jié)語

本文設(shè)計的基于STM32的室內(nèi)空氣質(zhì)量智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，能夠檢測室內(nèi)環(huán)境溫濕度、甲醛濃度、PM2.5濃度，通過顯示屏進行實時顯示并通過藍牙模塊發(fā)送至手機終端APP中顯示，同時根據(jù)各項空氣指標是否達標，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的控制策略對空調(diào)、加濕器、開窗器、空氣凈化器等進行智能控制，從而保持室內(nèi)空氣質(zhì)量符合人體健康標準。本設(shè)計具有良好的智能化、穩(wěn)定性、靈敏性及實用性，精度高，在智能家居領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用價值。

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