基于物聯(lián)網(wǎng)的空氣凈化系統(tǒng)的軟件設(shè)計

張 啟 陸興華 張傳金

（廣東工業(yè)大學(xué) 華立學(xué)院，廣東 增城511300）

0 概述

本軟件系統(tǒng)的核心是微控制器 （STM32F103R—ARM-based 32-bit MCU），本論文以該微控制器為中心單元，而電源控制模塊、電機控制模塊、紫外燈控制模塊、LED 顯示模塊、負(fù)離子控制模塊、觸摸按鍵模塊以及空氣質(zhì)量檢測傳感器模塊和WIFI 模塊組成的空氣凈化系統(tǒng)的運行將全部以該微控制器為核心，因此構(gòu)成了智能可遠(yuǎn)程控制的空氣凈化系統(tǒng)。本論文針對空氣凈化器控制系統(tǒng)的研究采用了多傳感器數(shù)據(jù)采集模塊的集成，實現(xiàn)了空氣凈化器的數(shù)據(jù)采集和工作狀態(tài)的自動調(diào)整等功能；同時，研究集成了將無線通信模塊WIFI 模塊與空氣凈化器結(jié)合，實現(xiàn)了空氣凈化器的遠(yuǎn)程控制和物聯(lián)網(wǎng)化，實現(xiàn)了真正的無線互聯(lián)。

1 總體設(shè)計

1）本論文所研究的空氣凈化器控制系統(tǒng)的軟件程序主要包括了系統(tǒng)初始化程序、電機控制程序、紫外燈和負(fù)離子控制程序、LED 顯示和觸摸按鍵控制程序、 傳感器數(shù)據(jù)采集程序和無線WIFI 通信程序等各功能模塊的程序設(shè)計。針對本設(shè)計采用的STM32F103R 微控制器的實現(xiàn)包括了中斷、查詢、A/D 轉(zhuǎn)換、GPIO、SDIO、UART 等功能。

2）根據(jù)控制系統(tǒng)的功能需求分析，本文描述的空氣凈化器對于軟件程序的需求可分為以下幾個部分：系統(tǒng)初始化程序、電機驅(qū)動程序、紫外燈和負(fù)離子控制程序、LED 顯示和觸摸按鍵程序、 傳感器數(shù)據(jù)采集程序、無線WIFI 通信程序設(shè)計。

其中，紫外燈、負(fù)離子、LED 顯示為微控制器的控制程序，電機、WIFI 模塊為微控制器的驅(qū)動程序； 傳感器數(shù)據(jù)采集和觸摸按鍵為微控制器的參數(shù)輸入程序。 各個部分都是緊密相關(guān)，每個功能模塊對于程序的整體設(shè)計都是非常重要的，都是通過STM32F103R 微控制器程序，才能使得空氣凈化器控制系統(tǒng)運行起來。

根據(jù)程序總體設(shè)計， 各模塊處理子程序依賴于主程序的調(diào)度，共同完成控制系統(tǒng)的功能。 系統(tǒng)根據(jù)功能需要，在初始打開空氣凈化器電源時，直流電機、紫外燈、負(fù)離子、傳感器、WIFI 模塊等均不工作，只有當(dāng)電源按鍵或者無線WIFI 模塊通過遠(yuǎn)程打開電源開關(guān)時， 空氣凈化器控制系統(tǒng)才啟動工作。

2 系統(tǒng)初始化程序設(shè)計

系統(tǒng)初始化程序主要針對本系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行初始化，包含了STM32F103R 微控制器的初始化程序、I/O 口的配置、 程序各參數(shù)、變量、標(biāo)志位的設(shè)定、系統(tǒng)默認(rèn)運行參數(shù)的設(shè)定、默認(rèn)顯示程序運行等。默然上電后系統(tǒng)初始化過程中，空氣凈化器的電機、紫外燈、負(fù)離子等負(fù)載并不工作，設(shè)備的LED 顯示模塊顯示默認(rèn)的參數(shù)和配置。

3 空氣凈化系統(tǒng)的各個模塊的軟件設(shè)計

3.1 電機驅(qū)動程序設(shè)計

本論文研究中使用的是無刷直流電機，電機的驅(qū)動是利用微控制器輸出PWM 調(diào)壓來實現(xiàn)電機的速度變化。 在電機的運行過程中，需要根據(jù)空氣凈化器的工作狀態(tài)來調(diào)整電機的轉(zhuǎn)動速度。

3.2 紫外燈和負(fù)離子控制程序設(shè)計

紫外燈管的驅(qū)動是利用低電平導(dǎo)通信號的輸出來實現(xiàn)的，輸出驅(qū)動信號的引腳為PB4；負(fù)離子發(fā)生器的驅(qū)動同樣是利用低電平導(dǎo)通信號的輸出來實現(xiàn)的，輸出驅(qū)動信號的引腳為PB4。

3.3 LED 顯示和觸摸按鍵控制程序設(shè)計

本文描述的空氣凈化器顯示模塊的顯示內(nèi)容主要有：定時時間指示、燈光指示、工作模式指示、空氣質(zhì)量指示、殺菌等指示、PM 指示等數(shù)據(jù)。 主要來自按鍵的更改和數(shù)據(jù)采集對于的數(shù)據(jù)變化。

按鍵的控制程序主要是進(jìn)行外部中斷的處理過程，空氣凈化器控制系統(tǒng)的按鍵主要有六個，包括了電源開關(guān)Kl、工作模式選擇K2、負(fù)離子/紫外燈鍵K3、定時設(shè)置K4、電機風(fēng)速調(diào)節(jié)鍵K5 以及空氣質(zhì)量指示燈光鍵K6。 同時按住定時鍵和電機風(fēng)速鍵啟到過濾網(wǎng)的狀態(tài)復(fù)位功能，按鍵的程序設(shè)計主要是通過中斷來實現(xiàn)的，當(dāng)發(fā)生按鍵操作的時候，單片機引腳將根據(jù)信號進(jìn)行程序處理。 程序?qū)τ诎存I的觸發(fā)信號判斷為串行流程，依次判斷每個按鍵的操作指令，執(zhí)行相應(yīng)的子程序。

3.4 傳感器數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計

根據(jù)電路原理圖和實際工作過程，設(shè)計出空氣質(zhì)量傳感器和粉塵傳感器的數(shù)據(jù)采集程序，系統(tǒng)啟動后，控制信號中斷程序開始工作，并且ADC 使能打開，檢測系統(tǒng)開始工作。 由傳感器特性分析可知，傳感器在數(shù)據(jù)采集過程中，在控制信號作用下開始采集數(shù)據(jù)，實時檢測室內(nèi)空氣污染狀況。 為了得到實用數(shù)據(jù)，需要對室內(nèi)空氣質(zhì)量進(jìn)行大量測試和實驗，最后得出想要的數(shù)據(jù)結(jié)果。

3.5 無線WIFI 通信程序設(shè)計

根據(jù)實際應(yīng)用， 無線WIFI 通信部分需要將當(dāng)前空氣凈化器的狀態(tài)值（空氣質(zhì)量、工作模式、風(fēng)速、PM 指數(shù)、定時狀態(tài)等等）傳輸?shù)椒?wù)器端，并且能夠?qū)⒎?wù)器端發(fā)送來的控制命令成功接收，以實現(xiàn)能夠遠(yuǎn)程控制空氣凈化器的工作狀態(tài)，系統(tǒng)啟動后，首先對WIFI 模塊進(jìn)行初始化，包括SDIO 設(shè)備枚舉，加載設(shè)備固件等操作，然后掃描WIFI網(wǎng)絡(luò)，掃描結(jié)束后，根據(jù)配置的WIFI 賬號和密碼進(jìn)行關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，關(guān)聯(lián)成功后進(jìn)行IP、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)等的設(shè)置，接著就是建立TCP SOCKET的客戶端，具體工作有綁定本地及服務(wù)端的IP 和端口。 最后就是從服務(wù)端接收數(shù)據(jù)，判斷是否為獲取設(shè)備狀態(tài)或者控制設(shè)備的命令，進(jìn)行相應(yīng)的操作。

4 結(jié)束語

本論文主要研究和探討了室內(nèi)空氣凈化系統(tǒng)的軟件設(shè)計，而本文對物聯(lián)網(wǎng)空氣凈化器控制系統(tǒng)的研究還是一個開始，結(jié)合目前新技術(shù)的發(fā)展，需要深入研究的方向還有很多，而本文所說明的空氣凈化系統(tǒng)的軟件設(shè)計，還存在很多的不足，還有者許許多多可以改進(jìn)的地方，這都將隨著我們對未來空氣凈化器一步一步的深入研究，不斷地改造創(chuàng)新與發(fā)展，以后一定會使其在該領(lǐng)域越來越完善，而技術(shù)也一定會越來越成熟。

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