基于STM32的室內空氣質量監(jiān)測自適應調節(jié)系統(tǒng)

韋海成 王淼軍 魏鑫 舒勝

摘 要： 針對現代智能家居室內空氣質量的健康問題，設計一種基于STM32單片機的室內空氣質量監(jiān)測自適應調節(jié)系統(tǒng)，整個系統(tǒng)使用模塊化設計，由主控模塊、傳感器模塊、串口轉WiFi模塊、顯示模塊、多級自適應調節(jié)模塊組成。主要完成室內空氣溫濕度、AQI值的監(jiān)測顯示及自適應調節(jié)，使其維持在適宜人居住的范圍以內。此外開發(fā)出相應的手機APP，通過串口轉WiFi模塊，實現監(jiān)測數據在手機客戶端的實時顯示。實驗表明：該系統(tǒng)運行可靠，靈敏度高，可實現對室內空氣質量的實時監(jiān)測、可視化顯示、自適應調節(jié)及報警功能，在智能家居領域具有很好的應用前景。

關鍵詞： STM32； 傳感器； WiFi模塊； 多級自適應調節(jié)

中圖分類號： TN915?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）08?0130?05

Indoor air quality monitoring and adaptive control system based on STM32

WEI Haicheng， WANG Miaojun， WEI Xin， SHU Sheng

（School of Electrical and Information Engineering， Beifang University of Nationalities， Yinchuan 750021， China）

Abstract： Aiming at the problems of indoor air quality in modern smart home， a kind of adaptive regulating system based on STM32 microcontroller was designed. The modular idea is put to use in the design. The whole system consists of main control module， sensor module， module from serial port to WiFi， display module， multi?stage adaptive control module. This system is mainly used to complete monitoring and adaptive regulation of indoor air temperature， humidity and AQI （air quality index）. The purpose of the system is to maintain indoor condition within the scope of suitable habitat， develop a corresponding mobile phone APP， and make the monitored data displayed in the mobile terminal. The experimental results show that the system has reliable operation， high sensitivity， can achieve the functions of real?time monitoring， visual display， adaptive adjustment and alarm， and has the very good application prospect in the field of smart home.

Keyword： STM32； sensor； WiFi module； multi?stage adaptive adjustment

隨著生活水平的不斷改善，人們對居家生活的舒適性、便捷性提出了更高的要求，與此同時也對居家環(huán)境的健康性越來越重視。然而現存的智能家居行業(yè)普遍存在價格昂貴[1]，標準不統(tǒng)一的問題[2]。設計的產品具有一定專用性，但系統(tǒng)之間很難相互移植。目前的智能家居多注重于家電的遠程開關[3?5]、智能防盜[6?8]、氣體檢測[9]等，很少有專門針對人居環(huán)境監(jiān)測自適應調節(jié)的系統(tǒng)，尤其是對室內環(huán)境空氣質量的監(jiān)測。針對此需求，本文從經濟實用的角度出發(fā)，選用基于Cortex?M3內核的STM32系列單片機為主控制芯片，設計出一套針對室內空氣質量的監(jiān)測及自適應調節(jié)系統(tǒng)。實現了對室內空氣溫濕度、AQI（Air Quality Index）值的實時監(jiān)測顯示及自適應調節(jié)功能，必要的時候還可進行報警提示。為了方便系統(tǒng)后期的嵌入移植，本文采用模塊化的設計理念。

1 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)以STM32單片機為控制芯片構成主控模塊，主要完成監(jiān)測數據的分析處理、各功能模塊的協(xié)調調度。系統(tǒng)的運行機制如下：上電復位以后，傳感器模塊對室內空氣質量的參數進行采集，空氣溫濕度的檢測由SHTx系列數字溫濕度傳感器完成，AQI值由GP2Y1010AU0F灰塵傳感器完成。檢測數據經STM32主控芯片分析處理，送至顯示模塊進行數據實時顯示（OLED顯示，手機APP顯示）。根據檢測值與設定值的差距，啟動多級自適應調節(jié)模塊完成對室內空氣質量的自適應調節(jié)。系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

2 硬件設計

2.1 主控模塊設計

本文選用意法半導體公司基于Cortex?M3內核的STM32F103CBT6單片機為主控芯片。作為整個系統(tǒng)運行的控制中樞，主控模塊要完成整個系統(tǒng)各功能模塊的協(xié)調調度，首先根據數字溫濕度傳感器特有的數據傳輸機制建立通信時序，完成與溫濕度傳感器的數據通信；其次對于灰塵傳感器，要對其檢測到的AQI值模擬量進行A/D量化處理。然后對這些監(jiān)測數據進行STM32內部的分析處理，最后調用相關的功能模塊完成監(jiān)測數據的顯示與系統(tǒng)的自適應調節(jié)。在軟件編程方面，STM32單片機自帶專門的函數庫，可直接調用相應API（Application Program Interface）來配置STM32寄存器實現編程。具有開發(fā)周期短、程序可讀性強等優(yōu)點。

圖1 系統(tǒng)設計總體框圖

2.2 傳感器模塊電路設計

傳感器模塊主要完成對室內空氣溫濕度及AQI值的實時監(jiān)測。SHT1x系列數字溫濕度傳感器，其內部集成了A/D轉換功能，可直接將檢測到的模擬量轉化為數字量與STM32進行數據通信?；覊m傳感器GP2Y1010AU0F，其AQI值檢測輸出為模擬量，須借助STM32單片機的A/D轉換功能進行數值的量化。

2.2.1 數字溫濕度傳感器

SHT1x系列單芯片傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。包括一個電容式聚合體測濕元件和一個能隙式測溫元件，體積小、功耗低、且內部自帶校準程序及基準電壓，測量精確度高。電源供電引腳VDD采用3.3 V電壓供電，GND引腳接地。數據通信采用兩線制串行接口方式，使得系統(tǒng)集成方便快捷，時鐘輸入引腳SCK，完成通信的時序同步（與STM32的PA12引腳相連）。數據引腳DATA為數據通信提供傳輸通道（與STM32的PA11引腳相連）。

2.2.2 灰塵傳感器

灰塵傳感器GP2Y1010AU0F，由5 V電壓供電，具有封裝小、功耗低、靈敏度高、精確度好等特點。檢測輸出的電壓模擬量，經10 kΩ和4.7 kΩ電阻分壓后，送至STM32端口進行數據轉換采集。使用STM32內部的A/D轉換通道1（PA1）。GP2Y1010AU0F上電經1 s休眠以后便開始穩(wěn)定正常地工作，其引腳連接示意如圖2所示。

圖2 GP2Y1010AU0F引腳連接示意圖

2.3 顯示模塊設計

作為系統(tǒng)的顯示單元，為用戶提供監(jiān)測數據的可視化界面。不僅能通過OLED進行顯示，也可通過串口轉WiFi模塊將數據發(fā)送至手機端進行顯示。

2.3.1 OLED顯示屏模塊

OLED，即有機發(fā)光二極管，具有對比度高、厚度薄、視角廣、響應速度快等優(yōu)點，同時，相對于傳統(tǒng)的LCD顯示，OLED 具有自發(fā)光功能，不需要背光顯示，且分辨率高（本設計采用的OLED分辨率為128×64）。在數據傳輸方面，提供多種對外接口方式，例如I2C（Inter?Integrated Circuit）接口，串行SPI（Serial Peripheral Interface）接口，6800、8080并行接口。 OLED顯示屏由芯片SSD1306驅動，SSD1306的GRAM（Graphics Random Access Memory）大小為128×64 b（分8頁，每頁128 B），通過控制SSD1306，即可實現對OLED的刷新顯示。

本設計采用4線制SPI接口方式（刷新速度快），使用的信號線主要有：CS（片選信號）、RES（硬復位）、DC（命令數據標志）、D0（串行時鐘線）、D1（串行數據線）。引腳連接如圖3所示。

圖3 OLED引腳連接示意圖

對于傳統(tǒng)的OLED 4線制SPI接口顯示方式存在的刷新重疊問題（4線制SPI接口只能對SSD1306的GRAM進行寫操作，在刷新顯示時不能對當前顯示位狀態(tài)進行讀判斷，顯示過程中會出現數據覆蓋），本設計采用虛擬SSD1306顯存的方法，使用STM32內部SRAM（Static Random Access Memory）建立一個與SSD1306的GRAM大小相同的緩存區(qū)。直接在STM32的內部完成數據修改，最后一次性把數據送至SSD1306的GRAM進行OLED的數據顯示，這樣不僅避免了數據刷新的重疊問題，也提高了數據顯示的刷新速度。

2.3.2 串口轉WiFi模塊

STM32將監(jiān)測到的數據進行分析處理后，通過此模塊轉化為WiFi信號，經路由調制，實現監(jiān)測數據在手機APP上的顯示。模塊的驅動芯片采用RM04，需要5 V和3.3 V電源同時供電，使用I2C串口總線的方式與主控芯片STM32完成數據通信（ROM4的RX、TX引腳分別連接STM32的PA9、PA10引腳）。

2.4 多級自適應調節(jié)模塊設計

主要完成對室內空氣質量的自適應調節(jié)，系統(tǒng)通過設定空氣質量相關參數的動作閾值，運用PWM技術進行多級調節(jié)，有效地降低了系統(tǒng)的能耗。同時引入微調機制，減緩了系統(tǒng)的超調；設定適宜參數范圍，避免了機械開關的頻繁動作。使用LCD進行級調的可視化顯示。

2.4.1 PWM原理在系統(tǒng)中的應用

脈沖寬度調制（PWM）是一種對模擬量進行A/D數字量化編碼、利用改變微處理器輸出數字量的占空比，來實現對模擬電路輸出量進行控制的一種技術。系統(tǒng)根據空氣質量相關參數測量值與設定值的偏差等級，進行不同級別的調節(jié)。此設計中的加濕器、散熱風扇、過濾風扇都是由直流電動機驅動，通過PWM調制改變驅動電機輸入電壓有效值的大小，從而控制驅動電機的轉速，最終實現室內空氣質量多級調節(jié)的效果。

2.4.2 多級調節(jié)動作范圍閾值的設定

人居環(huán)境最適宜溫度范圍為23～27 ℃，本系統(tǒng)設定值為25 ℃。由于人體對溫度±（1～2） ℃內的變化不敏感[10]，故在此波動范圍內調節(jié)機構不動作，這樣就避免了繼電開關的頻繁開閉，延長了外設的使用壽命。當實際監(jiān)測的溫度與設定溫度相差±（2～3） ℃時，啟動一級微調（散熱風扇或電熱風扇）。如若一級微調不能滿足環(huán)境的變化對室內溫度的影響；當監(jiān)測溫度與設定溫度差值達到±（3～5） ℃時，便啟動二級調節(jié)；如若差值繼續(xù)增加，達到±（5～7） ℃時啟動三級調節(jié)；如若超出系統(tǒng)的可調范圍，便進行報警處理（當差值達到±7 ℃時）?？諝鉂穸?、AQI值的調節(jié)與溫度相同，其分級調節(jié)參數閾值設定詳見表1。

表1 PWM多級自適應調節(jié)參數閾值

3 軟件設計

3.1 系統(tǒng)軟件總體設計

系統(tǒng)的軟件設計采用C語言，在RVMDK開發(fā)環(huán)境下完成系統(tǒng)程序的編譯調試及下載。軟件的編程同樣使用了模塊化的設計思想，各程序模塊功能獨立，模塊之間接口連接。系統(tǒng)軟件的總體流程如圖4所示。

系統(tǒng)開機初始化以后進行監(jiān)測數據的采集，將檢測到的數據送至STM32進行分析處理。STM32將監(jiān)測的數據送至顯示模塊進行顯示，另外根據監(jiān)測值與設定值的比對，確定是否進行分級的自適應調節(jié)。對于環(huán)境參數嚴重超標的情況，進行報警處理。程序主要涉及到的功能模塊有：

（1） 數字溫濕度傳感器模塊：根據SHTx數字溫濕度傳感器的通信機制，編寫讀寫時序。

（2） 灰塵傳感器模塊：對其檢測到的AQI值模擬量進行A/D轉換。

（3） OLED顯示模塊：完成SSD1306與STM32的數據通信，實現監(jiān)測數據在OLED上的刷新顯示。

（4） 串口轉WiFi模塊，完成ROM4與STM32的數據通信，實現監(jiān)測數據手機在APP上的實時顯示。

（5） 自適應調節(jié)模塊，實現外設PWM多級自適應調節(jié)功能。

3.2 數字溫濕度傳感器軟件設計

SHT1x溫濕度傳感器自身具備A/D轉換功能，在軟件設計方面主要是完成溫濕度傳感器與主控芯片之間的數據通信，由于其自身對溫濕度的監(jiān)測具有較高的靈敏性，且集成的A/D轉換具備內部校準機制，具有較高的準確性，在軟件設計方面主要注重其實時性。數據通信采用兩線雙向的串口連接方式， 其一組完整的數據傳輸過程包括：啟動傳輸、指定位寫命令、等待傳輸結束、數據傳輸、CRC校驗。具體介紹如下：

（1） 啟動傳輸。啟動SHT1x溫濕度傳感器數據傳輸的時序如下：在SCK時鐘為高電平期間，DATA由高電平翻轉為低電平，在SCK相鄰的下一個高電平時。DATA再由低電平翻轉為高電平，以此作為數據傳輸的啟動信號。

（2） 指定位寫命令。目前用到的寫命令地址為：000，SHT1x溫濕度傳感器監(jiān)測的溫濕度數據由同一條數據線傳輸，傳輸數據由5位命令位決定（溫度數據：00011；濕度數據：00101），例如：圖5為在地址位000寫入傳輸濕度數據命令時序圖。

（3） 等待測量結束。為了保證溫濕度監(jiān)測的實時性，軟件的編程采用交差采集的方法，即溫度與濕度的數據采集交替進行。但同時為了兼顧數據采集的完整性，在寫入測量切換命令以后，要經過至少320 ms的延時，等待上一組數據測量結束。SHT1x通過下拉 DATA四個時鐘周期表示進入空閑模式。接下來是2 B的測量數據，其傳輸時序如圖6所示，傳輸的為濕度數據：100100110001，對應濕度75.79 %RH。為確保傳輸數據的正確性，選擇 8位CRC奇偶校驗碼進行校驗。此外，當SHT1x溫濕度傳感器與主控芯片STM32的數據通信發(fā)生異常時，SHT1x溫濕度傳感器將DATA拉高9個時鐘周期，產生復位信號。

3.3 灰塵傳感器軟件設計

GP2Y1010AU0F灰塵傳感器自身不具備A/D轉化功能，本設計借助STM32內部自帶的A/D轉換功能完成對灰塵傳感器采集數據模擬量的量化。A/D轉換通過調用STM32內部庫函數實現，為確保其轉換精度，轉換過程中使用兩次均值濾波。對模擬量進行連續(xù)10次數字采集，然后依次排序，去掉最大值和最小值，最后求平均值作為A/D轉換的模擬量輸入。對量化后的數字量進行同樣的均值濾波處理，以提高A/D轉化的精度。

3.4 PWM多級調節(jié)的軟件設計

此設計使用STM32內部定時器3的4個獨立通道（TIM3_CH1，TIM3_CH2，TIM3_CH3，TIM3_CH4）分別控制散熱風扇、加濕器、過濾風扇、電熱風扇的驅動電路。脈沖控制調制可以產生一個由TIM3_ARR（捕獲/比較寄存器）確定頻率，由TIM3_CCR（自動重裝載寄存器）確定占空比的信號。當定時器的計數CNT小于CCR的值時，對應GPIO口輸出低電平（有效電平），當定時器的計數CNT大于CCR的值時，對應GPIO口輸出高電平。通過調整TIM3_CCR的重裝載值，即可調整GPIO輸出電壓的占空比，從而達到I/O控制外設實現多級調節(jié)的效果。其控制原理如圖7所示。

3.5 OLED顯示模塊軟件設計

OLED模塊主要實現監(jiān)測數據在液晶屏上的實時顯示，軟件設計主要針對OLED的驅動芯片SSD1306進行編程。OLED顯示屏采用4線SPI的方式與主控芯片STM32進行數據通信，在此傳輸方式下，只支持對SSD1306芯片的寫操作，其時序如圖8所示。傳輸過程中，每個數據長度為8 b，CS作為片選信號，低電平有效。DC命令數據引腳，低電平表示寫命令，高電平表示寫數據。數據通過串行數據線SDIN，以高位在前的順序，在SCLK的上升沿移入SSD1306。

另外對傳統(tǒng)的OLED 4線制SPI接口通信數據重疊的問題，本文以軟件的方式，通過虛擬SSD1306顯存的方法予以解決。通過構建OLED_Refresh_Gram 函數。在STM32內部定義了一個緩存區(qū)SRAM：u8 OLED_GRAM[128][8]；此部分 SRAM 對應 SSD1306芯片的 GRAM。每次數據刷新的時候，只要修改 STM32 內部的緩存區(qū)GRAM，然后通過OLED_Refresh_Gram 函數把緩存區(qū)的數據一次性刷新到 OLED 的 GRAM 上。另外，每次顯示前對數據的逐位修改都發(fā)生在STM332緩存區(qū)的內部，這樣大大提高了刷新速度。

3.6 串口轉WiFi模塊軟件設計

WiFi模塊的引入只要是為了實現監(jiān)測數據在用戶手機APP客戶端進行實時顯示，在主控芯片STM32與手機APP客戶端之間起到數據傳輸的橋梁作用。 此模塊程序主要完成了ROM4與主控芯片STM32之間的I2C串口通信（包括GPIO的工作模式、串行通信的初始化、中斷函數的初始化、數據的接收等）。

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試主要是針對系統(tǒng)設計的可行性及系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性、實時性、靈敏性進行驗證。室內空氣質量檢測級自適應調節(jié)系統(tǒng)硬件實物如圖9所示。

（1） 監(jiān)測及顯示功能測試。主要測試傳感器模塊對室內空氣溫濕度、AQI值監(jiān)測的實時性、靈敏性以及顯示模塊功能的實現。系統(tǒng)上電復位以后（約3 s），OLED顯示屏便開始進行室內空氣溫濕度、AQI值的實時顯示，檢測數據大約每2 s刷新一次。另外，通過串口轉WiFi模塊，經路由調制實現了監(jiān)測數據手機客戶端的實時顯示。

監(jiān)測數據顯示界面如圖10所示。

（2） 多級自適應調節(jié)測試。主要對系統(tǒng)的多級自適應調節(jié)功能進行測試，使用吹風機改變系統(tǒng)傳感器局部的溫濕度來模擬室內空氣溫濕度的變化，利用香煙改變灰塵傳感器局部AQI值模擬室內空氣AQI值的變化。為了使實驗現象更加明顯，此處使用LCD顯示屏進行級調的可視化顯示。實驗表明：在室內空氣質量相關參數可調的范圍內，系統(tǒng)可進行有效的多級自適應調節(jié)。

（3） 系統(tǒng)報警功能測試。主要是對室內空氣質量相關參數的過度超標溫度進行報警提示，將吹風機調至熱風靠近溫濕度傳感器，溫度迅速超過40 ℃（濕度變化較慢），報警單元動作（蜂鳴器報警，紅色LED閃爍）。報警復位后將點燃的香煙靠近灰塵傳感器，AQI值迅速超過200，報警單元進行報警提示。

（4） 系統(tǒng)運行可靠性測試。為驗證系統(tǒng)運行的可靠性，在寧夏銀川北方民族大學智能建筑實驗室進行了數據的測試，其中24 h的監(jiān)測數據走勢如圖11所示。

5 結 語

本文針對居家環(huán)境室內空氣質量的問題，設計出了一套以STM32F103CBT6 為主控芯片的室內空氣質量監(jiān)測多級自適應調節(jié)系統(tǒng)。本系統(tǒng)可很好地完成對室內空氣溫濕度、AQI值的實時監(jiān)測顯示、多級自適應調節(jié)及報警功能。系統(tǒng)軟硬件均采用模塊化設計思想，不僅有利于系統(tǒng)的維護升級，也方便本設計在智能家居領域的嵌入。實驗表明：該系統(tǒng)在室內空氣質量監(jiān)測的過程中具有很好的實時性及靈敏性，且運行穩(wěn)定，達到了預期設計的效果，在智能家居領域具有一定的應用前景。

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