基于ARM的遠程室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測與調(diào)控系統(tǒng)設計

張加宏+潘周光+劉進+李敏+顧芳

摘 要： 為了準確便攜地測量室內(nèi)溫度、相對濕度、氣壓、二氧化碳濃度、甲醛濃度與可吸入氣溶膠顆粒濃度，設計并實現(xiàn)了一種遠程室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該智能系統(tǒng)采用STM32單片機作為主控制器來處理和發(fā)送數(shù)據(jù)。針對室內(nèi)環(huán)境因素的特點，分別選取穩(wěn)定性強、靈敏度高、低功耗的傳感器進行實時測量，并配有LCD模塊顯示當前數(shù)值，同時將數(shù)據(jù)存入SD卡。在戶外的情況下，系統(tǒng)通過GSM模塊發(fā)送短信及時通知用戶室內(nèi)環(huán)境情況，用戶可以回復已設定好的數(shù)字信息實現(xiàn)對智能設備的遠程操控。經(jīng)實際應用，該智能化室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測與調(diào)控系統(tǒng)的測量精度達到普通環(huán)境監(jiān)測要求，穩(wěn)定性好，具有很強的實用價值。

關鍵詞： STM32； 顯示模塊； GSM模塊； 傳感器； 智能設備

中圖分類號： TN911?34； TH89 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）02?0012?04

Abstract： In order to accurately and portably measure the indoor temperature， relative humidity， atmospheric pressure， carbon dioxide concentration， formaldehyde concentration and respirable aerosol particle concentration， a remote monitoring system for the indoor environment was designed and implemented. The STM32 microprocessor is used in the intelligent system as the main controller to process and transmit data. According to the characteristics of indoor environmental factors， high stability， high sensitivity and low?power sensors are selected for real?time measurement， a LCD module is equipped to display the current information and the data is stored in the SD card. If it is used out of door， the system can send short messages to inform its users through GSM module， and the users can also reply the digital information which has been set to achieve remote control of intelligent devices. The practical application shows the measuring accuracy of the indoor intelligent environmental monitoring system can meet the requirements of common environment measurement， and it has good stability and a high practical value.

Keywords： STM32； display module； GSM module； sensor； intelligent device

0 引 言

近些年人們的環(huán)保與健康意識顯著增強，室內(nèi)空氣污染備受關注。目前室內(nèi)空氣污染物主要包含：廚房天然氣燃燒及烹飪過程中產(chǎn)生的CO，CO2，SO2等；在客廳吸煙時產(chǎn)生的甲醛、氰化氫、丙烯醛等；房屋裝修所用的裝飾材料和化工產(chǎn)品釋放的甲醛、苯氨、甲苯等[1?2]。因此，研發(fā)一種低功耗、智能化、面向普通用戶、集成多項參數(shù)實時檢測并具有遠程調(diào)控功能的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)已成為必然的趨勢。本文提出了一種基于ARM?STM32的遠程室內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)測與調(diào)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅集成了先進的微處理器芯片、各類傳感器模塊、環(huán)境調(diào)控模塊、電源控制模塊、顯示模塊、GSM無線傳輸模塊，而且配備了智能手機客戶端，使得威脅人體健康的污染因素得到遠程實時監(jiān)測及有效調(diào)控。該系統(tǒng)安全系數(shù)高，便于遠程調(diào)控，從而有效地提升了室內(nèi)環(huán)境的凈化能力。

1 系統(tǒng)總體結構及工作原理

本文的系統(tǒng)總體設計框圖如圖1所示，其由STM32單片機模塊、各類傳感器模塊、無線傳輸模塊、顯示模塊、環(huán)境調(diào)控模塊、電源控制模塊及手機信息接收端等部分構成。其中：傳感器模塊主要檢測室內(nèi)環(huán)境的溫濕度、CO2、氣壓、甲醛、氣溶膠懸浮顆粒；無線傳輸模塊由芯訊通公司（SIMCom）生產(chǎn)的SIM900A芯片及其外圍拓展電路組成，負責接入GPRS無線通信網(wǎng)絡；顯示模塊采用2.8寸TFTLCD顯示器及其外圍電路，其通過FSMC接口與單片機進行數(shù)據(jù)傳輸[3]；環(huán)境調(diào)控模塊主要包括智能開關、智能紅外遙控裝置，它們控制著空調(diào)、加濕器、空氣凈化器、新風系統(tǒng)等；電源控制電路主要由供電電源、穩(wěn)壓芯片及繼電器組成，選用5 V的直流供電電源和精度較高的線性穩(wěn)壓芯片LM1117?3.3，穩(wěn)定輸出3.3 V的直流電，繼電器選用HK4100F?DC5V?SH；手機接收的信息以短信形式顯示，用戶可更方便、直觀的觀察。

該系統(tǒng)的工作原理是：首先，STM32處理器內(nèi)部的A/D模塊將前端傳感器模塊傳輸來的環(huán)境參數(shù)轉換成電壓信號，TFTLCD會實時顯示當前的數(shù)值，測得的數(shù)據(jù)也及時保存到外部SD卡中。當檢測的值超過系統(tǒng)設定的值時，單片機通過串口發(fā)送一個高電平給無線傳輸模塊，使無線傳輸模塊發(fā)送短信到設定的手機號碼，用戶便可以查看短信來了解室內(nèi)環(huán)境質量，用戶與系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，用戶也可以回復已設定好的數(shù)字信息來遠距離操控智能開關和紅外遙控器。智能開關主要控制一些電器的開和關，紅外遙控器既能控制開關還具有調(diào)節(jié)的功能。當系統(tǒng)處理器收到用戶發(fā)來的指令時，能夠根據(jù)指令內(nèi)容進行相關操作。類似地，傳感器的開啟和關閉也可通過無線傳輸模塊進行遠程控制，從而凸顯出了低功耗和選擇性檢測的優(yōu)勢。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 核心處理器的選擇

意法半導體公司研發(fā)的STM32系列處理器是基于Cortex?M3內(nèi)核架構，它們專用于滿足處理性能強、功耗低、實時性好、成本低的嵌入式場合要求[4?5]。在以下場合應用較頻繁：工業(yè)使用場合、低能耗使用場合、建筑和安防應用、消費類電子產(chǎn)品。綜合諸多方面的因素，本文最終采用的處理器為STM32F103ZET6，其處理運算速率可以達到72 MHz，片內(nèi)集成512 KB FLASH，64 KB RAM，1個USB，1個CAN，112個GPIO，8個定時器，5個USART，3個ADC，1個SDIO，2個DAC，3個SPI，2個I2C，2個I2S，1個SDIO FSMC總線。

2.2 傳感器選型

作為室內(nèi)環(huán)境多參數(shù)測量中最為關鍵的部分，傳感器的選型直接影響系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。在本系統(tǒng)中，結合測量系統(tǒng)的實際需要，選用BMP180傳感器進行氣壓測量，其具有較高的穩(wěn)定性，在超高分辨率模式下，分辨率為2 Pa，測量范圍[6]為30～110 kPa。通過I2C總線直接與微處理器相連；選用了GP2Y1050AU0F傳感器進行氣溶膠顆粒檢測，該傳感器基于光散射原理，PM1以上的粒子均可被靈敏檢測到；采用AM2320溫濕度復合型傳感器進行溫濕度測量[7]，溫度測量范圍為-35～75 ℃，相對濕度測量范圍0～99.5%，其信號以40位串行數(shù)據(jù)輸出，傳輸距離可達20 m以上；選用MS1100甲醛傳感器進行甲醛濃度檢測[8]，其能夠偵測0～100×10-6 kg/m3濃度范圍內(nèi)的氣體，選取AD8628芯片對微弱的輸出信號進行運算放大；選用基于非分散紅外線技術的CO2傳感器，其采用單通道技術，具有穩(wěn)定性好、精度高等特點。

2.3 無線傳輸模塊設計

無線傳輸模塊采用芯訊通公司生產(chǎn)的SIM900A[9]，其采用SMT封裝，支持AT指令。采用單電源供電模式，當工作電壓為4.0 V時，此模塊性能達到最佳。本系統(tǒng)中其與處理器之間采用串口通信的方式，通信速度設為19 200 b/s，TXD，RXD為發(fā)送、接收端，分別與STM32單片機的PA10，PA9連接。各類傳感器檢測的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)數(shù)值可由無線傳輸模塊以短信的形式發(fā)送到用戶手機上，以便于用戶遠程實時了解室內(nèi)環(huán)境狀況。

2.4 電源電路設計

在本文設計中電源模塊分為兩部分：單片機及外圍設備供電模塊和SIM900A供電模塊。單片機和外圍模塊的供電由穩(wěn)壓芯片LM1117?3.3輸出的3.3 V直流電提供，其電路連接如圖2所示。

其中C2和C4是旁路電容，主要是抑制干擾，而C1和C3是電解電容，起到濾波的作用。SIM900A模塊電源采用穩(wěn)壓芯片MP2303，它能穩(wěn)定輸出0.8～25 V的直流電，電路連接如圖3所示。其中VCC_BAT端輸出電壓4.0 V供SIM900A模塊使用。

2.5 繼電器電路設計

本設計采用的是直流電磁繼電器，型號為HK4100F?DC5V?SH，其電路如圖4所示，鑒于STM32單片機端口輸出的電流不足以驅動電磁繼電器，因此在本設計中通過NPN型三極管8050先對輸出電流進行放大，然后再連接電磁繼電器，其中三極管的基極b接到單片機PA10端口，發(fā)射極e接地，線圈的另一端接5 V電源。值得注意的是，為直觀了解繼電器的工作狀態(tài)，在繼電器線圈兩端分別并聯(lián)一個二極管1N4148、一個1 kΩ的電阻R2以及LED發(fā)光二極管，三者共同組成狀態(tài)指示電路。CN2的1，2，3腳為繼電器輸出接線端口，本設計中每個傳感器模塊都連接了一個電磁繼電器。

3 軟件模塊設計

3.1 GSM控制指令

系統(tǒng)中采用GSM無線通信模塊SIM900A實現(xiàn)兩者的數(shù)據(jù)通信。GSM無線通信模塊SIM900A通過AT命令來進行控制，采用短消息模式進行數(shù)據(jù)傳輸，通過服務中心（Service Center）完成信息的存儲和轉發(fā)后，再利用SMS短信息服務進行文本信息收發(fā)。SMS主要有Text和PDU兩種收發(fā)短信模式。8 b數(shù)據(jù)與GSM字符集的收發(fā)操作可在Text模式下完成，而PDU模式不僅可以實現(xiàn)Text模式的所有功能，而且也可支持UCS2字符集和中文字符的收發(fā)操作，但需要對收發(fā)PDU數(shù)據(jù)格式進行編碼和解碼。GSM模塊控制指令類型較多，部分常用典型指令如表1所示。

3.2 系統(tǒng)總體設計流程

系統(tǒng)運行總流程如圖5所示，首先，需要初始化系統(tǒng)的底層硬件，然后初始化串口，設置波特率等。利用 STM32控制器自帶的A/D轉換功能對前端傳感器模塊采集到的環(huán)境參數(shù)進行轉換，數(shù)值通過 LCD實時顯示，并存儲在SD卡中。當檢測的參數(shù)值超出系統(tǒng)設定的范圍時，STM32主控制器通過 SIM900A 發(fā)送短信及時通知用戶，用戶根據(jù)接收到的短信息，回復相應的數(shù)字信息實現(xiàn)對智能設備的遠距離控制。另外為了降低功耗，有選擇性的檢測，用戶也可以通過GSM網(wǎng)絡，發(fā)送指令給微控制器來驅動電源控制模塊（繼電器），控制模塊電源是斷開還是閉合，從而遠程智能管理環(huán)境調(diào)控模塊來開啟和關閉空調(diào)、加濕器、空氣凈化器、新風系統(tǒng)等設備，改善室內(nèi)環(huán)境。如果用戶在規(guī)定的時間內(nèi)沒有回復信息，系統(tǒng)會在5 min后重新發(fā)送信息給用戶，直到收到回復信息才停止。

4 系統(tǒng)測試及實驗分析

4.1 系統(tǒng)測試

基于前面軟硬件的設計，根據(jù)需要制定了實驗板并焊接各個傳感器及GSM模塊、核心板模塊和供電模塊，然后進行接線，保證不發(fā)生短接、空接或接錯等現(xiàn)象。室內(nèi)環(huán)境的溫濕度、氣壓、甲醛濃度、二氧化碳濃度、氣溶膠懸浮顆粒物濃度值等通過LCD顯示出來。查看SIM900A顯示燈顯示是否處于正常工作狀態(tài)，若不正常則檢查SIM卡是否插好。在進行遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)某绦蛘{(diào)試時，若手機端收到數(shù)據(jù)，則調(diào)試成功，否則，檢查相應的程序錯誤。逐一調(diào)試成功后，最后形成一套完整的系統(tǒng)程序，系統(tǒng)實物如圖6所示，LCD顯示的數(shù)值如圖7（a）所示，手機端接收到的信息如圖7（b）所示。

4.2 實驗結果分析

溫濕度的標定嚴格根據(jù)溫濕度傳感器行業(yè)規(guī)范和規(guī)程，結合恒溫恒濕箱C180來完成，系統(tǒng)所測得的溫濕度值與相應標準值對比結果如表2所示。

甲醛實驗模塊采用衛(wèi)家空氣甲醛自測盒所測數(shù)據(jù)和本系統(tǒng)做對比，甲醛自測盒最小分辨率為0.05 mg/m3，甲醛自測盒和系統(tǒng)所測數(shù)據(jù)值的對比結果如表3所示。

當環(huán)境條件滿足溫度為20±3 °C、相對濕度<75%RH時，按照氣溶膠懸浮顆粒物測試儀檢定規(guī)程要求，結合全自動粉塵檢測儀CCZ?1000測定可吸入氣溶膠顆粒物的濃度。該標準儀氣溶膠濃度測量范圍為0～1 000 mg/m3，標準測定儀氣溶膠濃度測量誤差小于10%，標準測定儀穩(wěn)定性相對誤差為±2.5%。標準測定儀測量值和本系統(tǒng)所測數(shù)據(jù)值的對比結果如表4所示。

氣壓模塊結合Fluke PPC?4壓力全自動校準系統(tǒng)，精度達±0.008%，年穩(wěn)定性優(yōu)于±0.005%。壓力控制器穩(wěn)定度達4 ppm。Fluke PPC?4和本系統(tǒng)所測數(shù)據(jù)值的對比結果如表5所示。

從表2～表5的對比結果可以看出，本文設計的環(huán)境監(jiān)測與調(diào)控系統(tǒng)和標準儀器所測的溫度、濕度、氣壓、甲醛、氣溶膠濃度數(shù)值基本一致。系統(tǒng)的固有誤差以及零點漂移產(chǎn)生的誤差對測量精度有一定的影響，但在普通環(huán)境監(jiān)測條件下，對比結果表明本文設計的系統(tǒng)精度可以很好滿足實際檢測需求。同時本文實現(xiàn)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)也便于用戶遠程監(jiān)測和智能調(diào)控，實用性更強。

5 結 語

針對市場上一些室內(nèi)環(huán)境檢測儀器存在的問題，并結合傳感、測量、通信以及無線控制等多種技術，本文研究且設計了室內(nèi)環(huán)境多參數(shù)遠程檢測和調(diào)控系統(tǒng)。室內(nèi)環(huán)境的溫度、相對濕度、二氧化碳濃度、甲醛濃度、氣溶膠濃度可通過該智能系統(tǒng)較好的監(jiān)測和調(diào)控。在數(shù)據(jù)的采集、保存、傳輸?shù)秸{(diào)控的整個過程中，系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性與可靠性都較強。同時，測量數(shù)據(jù)的分析也驗證了該系統(tǒng)的測量精度基本符合國家標準值，因此該系統(tǒng)能滿足普通家庭用戶的實際使用需求。

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