一種小型室內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)測儀器的設(shè)計(jì)

摘 要： 基于人們對室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測的需求，設(shè)計(jì)一種以STM32F103C8T6微控制器作為核心控制器的一套室內(nèi)環(huán)境智能檢測系統(tǒng)，它能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確并有效地監(jiān)測當(dāng)前室內(nèi)的溫度、濕度以及空氣中的懸浮顆粒（PM10）和有毒有害氣體等，并通過藍(lán)牙把當(dāng)前室內(nèi)的環(huán)境情況傳送到電腦端顯示出來，及時(shí)向人們警示，避免對人體健康產(chǎn)生危害。該系統(tǒng)具有體積小、方便可靠以及操作簡單等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用在室內(nèi)環(huán)境檢測領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞： 室內(nèi)環(huán)境； 懸浮顆粒； 智能監(jiān)測； 藍(lán)牙

中圖分類號： TN722?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）10?0073?03

Design of an intelligent monitoring instrument for small indoor environment

HE Weigang， LI Zhenglin， ZHANG Fan

（School of Electrical and Information Engineering， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545006， China）

Abstract： Based on the demand of indoor air quality monitoring， a set indoor environment intelligent detection system taking STM32F103C8T6 as its core controller was designed. It can accurately and effectively monitor the current indoor temperature and humidity， and suspended particle （PM10） and harmful gas in the air in real time， transfer the current indoor environment situation to the computer through Bluetooth for display， and then warn people timely to avoid the harm of human health. This system has the characteristics of small size， convenience， reliability and easy operation， and can be widely used in the field of indoor environment detection.

Keywords： indoor environment； suspended particle； intelligent monitoring； Bluetooth

多年來，由于工業(yè)化進(jìn)程的加速，人們過度砍伐樹木，開采煤礦等資源，同時(shí)隨意排放廢水廢氣，將經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展建立在破壞自然環(huán)境的基礎(chǔ)上，缺乏對自然環(huán)境的保護(hù)[1]。因此，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，自然環(huán)境也受到了嚴(yán)重的污染和破壞，環(huán)境問題日益凸顯，例如最近幾年，北京、上海、天津、南京等各大工業(yè)城市都相繼出現(xiàn)了沙塵暴、霧霾、光霧等災(zāi)害，嚴(yán)重地威脅著人們的身心健康。大量的研究表明，如果人們長期生活在空氣受到污染的室內(nèi)，吸入含有多種有害物質(zhì)的污染空氣，將會引起如咽喉腫痛、呼吸道感染、皮膚過敏、哮喘咳嗽等多種疾病。在我國，每年因居住在空氣受到污染的室內(nèi)而引起疾病或者死亡的案例并不少見[2?4]，例如，因空氣中懸浮顆粒（PM10）含量過高而導(dǎo)致人們的呼吸道受到刺激、感染，從而導(dǎo)致人們患上多種呼吸道疾病；人們在使用煤炭、天然氣、液化石油氣等進(jìn)行烹飪或取暖時(shí)，因通風(fēng)不足或者操作不當(dāng)引起的煤氣中毒等。除此之外，因空氣過于潮濕或干燥引起濕氣、鼻腔黏膜受損等案例也不在少數(shù)。綜合以上所述，有必要設(shè)計(jì)一種能夠?qū)諝庵械臏貪穸?、懸浮顆粒、甲醛、苯系物、煤氣、液化天然氣等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)空氣中的污染物超標(biāo)的時(shí)候，能夠向人們提出警示，為人們創(chuàng)建一個(gè)健康、安全、舒適的生活環(huán)境的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用了基于ARM Cortex?M3 內(nèi)核的32位微控制器 STM32F103C8T6作為核心，外圍搭配了夏普公司的懸浮顆粒傳感器GP2Y1010AU0F，高性能數(shù)字式溫濕度復(fù)合傳感器DTH11，以及煒盛電子公司的甲醛傳感器MQ138，煙霧傳感器MQ135，可燃?xì)怏w傳感器MQ2。同時(shí)，系統(tǒng)可通過藍(lán)牙無線通信技術(shù)將當(dāng)前的室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送到電腦端的上位機(jī)軟件上進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)有異常情況時(shí)可記錄該異常并告警。本系統(tǒng)具有體積小、方便可靠以及操作簡單等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用在室內(nèi)環(huán)境檢測領(lǐng)域。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體框架設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)可分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分，系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。其中上位機(jī)主要負(fù)責(zé)環(huán)境信息的顯示和監(jiān)控，下位機(jī)負(fù)責(zé)采集當(dāng)前環(huán)境數(shù)據(jù)并傳送到上位機(jī)。系統(tǒng)總體的工作流程是：下位機(jī)通過傳感器采集周圍的環(huán)境信息，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行封包處理并通過藍(lán)牙無線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)包傳輸?shù)缴衔粰C(jī)里，上位機(jī)對數(shù)據(jù)包進(jìn)行解包和校驗(yàn)后，將環(huán)境信息顯示在電腦上，如果有異常情況則發(fā)出報(bào)警并記錄。

1.2 硬件整體設(shè)計(jì)

下位機(jī)硬件可分為控制部分、環(huán)境采集部分以及無線數(shù)據(jù)傳輸三大部分。下位機(jī)硬件的整體框架如圖 2所示。環(huán)境采集部分可分為溫濕度采集部分、懸浮顆粒采集部分、甲醛，苯系物采集部分、可燃?xì)怏w采集部分以及煙霧、有害氣體采集部分，環(huán)境采集部分主要是對周圍環(huán)境進(jìn)行采集，得到周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)信息?？刂撇糠植捎昧薙TM32F103C8T6微控制器作為控制部分的核心，負(fù)責(zé)處理系統(tǒng)的各項(xiàng)任務(wù)，如傳感器數(shù)據(jù)讀取，數(shù)據(jù)的封包處理等。無線數(shù)據(jù)傳輸部分主要負(fù)責(zé)將系統(tǒng)采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X端，電腦端接收到數(shù)據(jù)后通過上位機(jī)軟件顯示在界面上。

室內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)采用了意法半導(dǎo)體（ST）公司生產(chǎn)的32位微控制器STM32F103C8T6作為系統(tǒng)的核心，該微控制器基于ARM Cortex?M3。室內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)采用了來自夏普公司生產(chǎn)的GP2Y1010AU0F粉塵傳感器模組，用來監(jiān)測空氣中的懸浮顆粒含量。

GP2Y1010AU0F粉塵傳感器模組是一款成本低、體積小、功耗低，并且能夠區(qū)分出粉塵和煙霧的傳感器模組，由于GP2Y1010AU0F具有優(yōu)異的粉塵檢測性能，因此被廣泛的運(yùn)用在空氣清潔器、空氣過濾器以及空氣質(zhì)量檢測儀等設(shè)備上。DHT11溫度、濕度復(fù)合式傳感器主要是由電阻式感濕元件、NTC熱敏電阻元件以及一個(gè)高性能的8位微控制器構(gòu)成。其中電阻式感濕元件用于環(huán)境濕度的采集，NTC熱敏電阻用于環(huán)境溫度的采集，室內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)采用了煒勝科技公司生產(chǎn)的MQ135，MQ2，MQ138半導(dǎo)體氣敏元件，其中MQ135對氨氣、硫化物、苯系物質(zhì)以及煙霧等氣體比較敏感；MQ2則對液化氣、丙烷、氫氣等可燃?xì)怏w比較敏感；MQ138對甲醛、乙醇、丙酮等比較敏感。特定的半導(dǎo)體氣敏傳感器在一定的濃度范圍內(nèi)檢測特定的氣體。MQ系列半導(dǎo)體氣敏傳感器驅(qū)動電路簡單、壽命長、成本低，被廣泛應(yīng)用在空氣質(zhì)量監(jiān)測、空氣污染報(bào)警、空氣過濾器等場合。MQ135，MQ2，MQ138半導(dǎo)體氣敏傳感器是一種使用含有二氧化錫物質(zhì)做氣敏材料的傳感器，當(dāng)二氧化錫處于潔凈的空氣中時(shí)，其導(dǎo)電率比較低，而當(dāng)二氧化錫處于受污染的空氣中時(shí)，其導(dǎo)電率與污染物的濃度成正比，如果在電路中串接一個(gè)電阻即可將導(dǎo)電率的變化轉(zhuǎn)化成模擬電壓的變化，再通過微控制器的ADC采樣和換算，即可計(jì)算出空氣污染物的氣體濃度大小。藍(lán)牙是一種低功耗、低成本、近距離的2.4 GHz無線通信技術(shù)，由于它工作在2.4 GHz的ISM（工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)）頻段，因此無需向無線電部門申請?jiān)S可就可使用。藍(lán)牙不僅可用于傳輸語音和數(shù)據(jù)，還可以用于組網(wǎng)通信，而且抗干擾能力強(qiáng)、功耗低、體積小巧，使得藍(lán)牙技術(shù)被廣泛的應(yīng)用在各種領(lǐng)域[5?7]。在本系統(tǒng)中，下位機(jī)和上位機(jī)之間的通信就是用了藍(lán)牙無線技術(shù)：下位機(jī)通過串行口將數(shù)據(jù)包發(fā)送給藍(lán)牙無線通信模塊，然后藍(lán)牙無線通信模塊會將數(shù)據(jù)包通過藍(lán)牙技術(shù)發(fā)送到上位機(jī)的藍(lán)牙接收模塊，并將其解包，提取出環(huán)境數(shù)據(jù)后將其顯示在界面上。

本系統(tǒng)使用的藍(lán)牙模塊型號為HC?04，該模塊支持主從一體模式，供電電壓為3.3 V，數(shù)據(jù)通信接口為USART串行口[8?9]。當(dāng)藍(lán)牙模塊從串行口接收到數(shù)據(jù)時(shí)，會自動將數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙無線傳輸?shù)搅硪粋€(gè)配對的藍(lán)牙模塊，而另一個(gè)藍(lán)牙模塊接收到數(shù)據(jù)后，又將數(shù)據(jù)通過串行口發(fā)送給應(yīng)用設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的透傳

2 軟件整體設(shè)計(jì)

上位機(jī)是運(yùn)行在電腦端的監(jiān)控軟件，負(fù)責(zé)將下位機(jī)傳送過來的環(huán)境信息進(jìn)行顯示并監(jiān)控，當(dāng)某一數(shù)據(jù)超標(biāo)時(shí)能夠報(bào)警并及時(shí)記錄該事件。上位機(jī)由C#語言編寫，使用Visual Stdio 2013軟件作為開發(fā)環(huán)境[10?11]。上位機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)的思路，將軟件分成了數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理和人機(jī)交互三大部分，數(shù)據(jù)傳輸模塊主要負(fù)責(zé)從系統(tǒng)端口中接收來自下位機(jī)的數(shù)據(jù)包，而數(shù)據(jù)處理部分則負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理和校驗(yàn)，人機(jī)交互部分則負(fù)責(zé)將環(huán)境數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在軟件界面上，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，如果有數(shù)據(jù)異常，則記錄該異常事件。上位機(jī)整體軟件流程圖如圖3所示。

在本系統(tǒng)中，當(dāng)打開上位機(jī)軟件時(shí)，首先對Serial Port類進(jìn)行初始化，調(diào)用PortName方法來獲取當(dāng)前電腦上所有可用的串行口，并將當(dāng)前可用的串行口映射到軟件界面的下拉菜單。當(dāng)用戶點(diǎn)擊連接室內(nèi)環(huán)境檢測系統(tǒng)時(shí)，設(shè)置串口的波特率為115 200 b/s、無校驗(yàn)位、一個(gè)停止位，然后打開選中的端口，并進(jìn)行監(jiān)聽。當(dāng)有數(shù)據(jù)傳來時(shí)，觸發(fā)數(shù)據(jù)接收事件，接收完數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)處理函數(shù)進(jìn)行處理。程序流程如圖4所示。

當(dāng)接收到下位機(jī)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包后，需要對其進(jìn)行解包處理，如圖5所示。由于通過Serial Port的Read類讀取串口得到的是所有存在串口緩存中的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可能包含了下位機(jī)傳過來的多個(gè)數(shù)據(jù)包，為了能夠準(zhǔn)確地找到一個(gè)完整的數(shù)據(jù)包，需要對讀取回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理。

3 系統(tǒng)測試

通過上位機(jī)軟件對室內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，并分別用甲烷、液化石油氣、煙霧等污染源放置在本室內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)附近，根據(jù)不同的測試情況，系統(tǒng)也會有不同的反應(yīng)，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本室內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)能夠十分迅速地檢測出污染物，并同時(shí)在軟件界面上記錄污染物超標(biāo)內(nèi)容并向人們警告。下位機(jī)調(diào)試圖如圖6所示。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一種能夠?qū)κ覂?nèi)環(huán)境中的溫度、濕度、PM10、甲醛以及液化石油氣等有害物質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測的智能系統(tǒng)，如果所測項(xiàng)目超標(biāo)，則及時(shí)記錄并警報(bào)。由于本系統(tǒng)采用了性價(jià)比高、功能強(qiáng)勁、低功耗的32位微控制器 STM32F103C8T6，同時(shí)外圍搭配了多種傳感器，使用了2.4 GHz藍(lán)牙無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)并結(jié)合上位機(jī)，可對室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行準(zhǔn)確有效地監(jiān)測并監(jiān)控，同時(shí)人性化的人機(jī)界面可以讓人們方便快捷地了解到當(dāng)前室內(nèi)的環(huán)境信息。對保護(hù)人們的身心健康，改善人們的居住環(huán)境提供了有力的參考信息，并對研究室內(nèi)污染物的來源有一定的參考價(jià)值。

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