家庭空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)*

劉勝榮 / 曾祥磊 / 亓金成

(青島理工大學，山東 青島 266520)

家庭空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)*

劉勝榮 / 曾祥磊 / 亓金成

(青島理工大學，山東 青島 266520)

通過對室內空氣質量的監(jiān)測，設計研究以STM32單片機為控制核心的家庭空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)，以實現(xiàn)對室內溫度、濕度、VOCS以及室內微小空氣顆粒物濃度的實時采集和處理，并在數(shù)值超標后進行聲光報警。

空氣質量 監(jiān)測 上位機

1 家庭空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)總體方案設計

家庭空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)的方案設計框圖見圖1，該設計針對溫度、濕度、甲醛、甲苯、二甲苯等揮發(fā)氣體以及室內的空氣顆粒物濃度等進行監(jiān)測，利用MCU進行數(shù)據(jù)采集和處理，使用特別設計的上位機顯示監(jiān)控數(shù)據(jù)，更有良好的人機交互界面，有利于對室內空氣質量進行全方位的評價。

圖1 系統(tǒng)總體設計框圖

2 家庭空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)的組件與電路設計

2.1 單片機

系統(tǒng)主控采用STM32F103RBT6芯片，時鐘頻率高達72MHz, 高速嵌入式存儲器(閃存和SRAM為20～128B)和增強的I/O外設連接到兩個APB總線，包含3個通用16位定時器和1個PWM定時器, 以及標準和先進的通訊接口，計算處理能力很強。STM32F103RBT6單片機最小系統(tǒng)原理圖見圖2。

圖2 STM32F103RBT6單片機最小系統(tǒng)原理圖

2.2 TVOC傳感器

圖3 VOC傳感器電路圖

選用空氣質量傳感器MS1100，其體積小巧、價格便宜、響應速度快，具有極高的靈敏度和穩(wěn)定性，是一款半導體式的VOC氣體傳感器。該傳感器可以偵測0.1ppm以上的氣體，適用于檢測空氣中的甲醛、苯、二甲苯等多種有機揮發(fā)氣體，能夠很好地幫助提高室內生活環(huán)境質量。VOC傳感器電路圖見圖3。2.3 溫濕傳感器

AM2301數(shù)字溫/濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫/濕度復合傳感器，包括1個電容式感濕元件和1個NTC測溫元件，并與1個高性能8位單片機相連接。溫/濕度傳感器電路圖見圖4。它應用專用的數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。

圖4 溫濕度傳感器電路圖

2.4 灰塵傳感器

采用GP2Y1010AU0F光學灰塵濃度檢測傳感器。此傳感器內部利用光敏原理，成對角分布著紅外發(fā)光管和光電晶體管?？捎糜跈z測特別細小的顆粒(如香煙煙霧，花粉顆粒等)，具有超低功耗，電壓大小隨灰塵濃度成線性關系。GP2Y1010AU0F傳感器電路結構圖見圖5，GP2Y1010AU0F接線圖見圖6。

2.5 無線傳輸模塊

采用NRF24L01+無線傳輸模塊，輸出功率頻道和協(xié)議可以通過SPI 接口進行設置。該模塊可以連接到各種單片機芯片上，并完成無線數(shù)據(jù)傳送工作。NRF24L01+外圍電路圖見圖7。

圖5 GP2Y1010AU0F傳感器電路結構圖

圖6 GP2Y1010AU0F接線圖

圖7 NRF24L01+外圍電路圖

2.6 報警電路的設計

報警電路的設計采用了LED+蜂鳴器的方案，利用一個NPN型三極管來驅動蜂鳴器，彌補了STM32單片機驅動電壓不足的問題，能夠安全可靠的做到分階段報警。報警電路的原理圖見圖8。

圖8 報警電路的原理圖

2.7 液晶顯示模塊

采用LCD12864作液晶顯示模塊，該模塊是具有128×64點陣的漢字圖形液晶顯示模塊，內置8192個16×16點漢字和128個16×8點ASCII字符集,結構簡單，低功耗且顯示程序相對于其他同類型的顯示屏來說要簡潔。LCD12864外圍電路圖見圖9。

圖9 LCD12864外圍電路圖

2.8 串口通信模塊的設計

串口通信模塊采用串口通信芯片CH340,CH340對Windows操作系統(tǒng)下的串口應用程序完全兼容，并且具有硬件全雙工串口，支持50bps～2Mbps,足以滿足系統(tǒng)對串口通信的要求。串口通信芯片CH340及其外圍電路見圖10。

圖10 串口通信芯片CH340及其外圍電路

圖11 電源供電模塊電路

圖12 主程序圖

2.9 電源電路的設計

電源電路采用4節(jié)干電池作為主電源，利用降壓穩(wěn)壓芯片LM2940和AMS117-3.3提供穩(wěn)定輸出的5V和3.3V直流電壓，同時支持通過USB接口供電。電源供電模塊電路見圖11。

3 家庭空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)的程序設計

3.1 程序總體設計方案

家庭空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)的程序設計要求系統(tǒng)能夠對傳感器轉化的電信號進行采集與處理，主程序圖見圖12。

3.2 溫濕度傳感器數(shù)據(jù)采集

RH_value=AM_SensorData[0]*256 + AM_SensorData[1];

Temp_value=AM_SensorData[2]*256 + AM_SensorDa333ta[3];

wendu=Temp_value*10;

shidu=RH_value*10;

3.3 灰塵傳感器數(shù)據(jù)采集

AD_PM=Get_Adc(ADC_Channel_0);

pm=0.17*AD_PM-0.1;

3.4 VOC感器數(shù)據(jù)采集

adcx=Get_Adc(ADC_Channel_1);

voc=(float)adcx*(3.3/4096);

3.5 上位機濾波

采用加權滑動平均濾波，融合了多種濾波算法，有效地濾除了隨機的干擾信號，并且適用于有較大純滯后時間常數(shù)的對象和采樣周期較短的系統(tǒng)，進一步保證了數(shù)據(jù)采集的準確度。

4 實驗仿真

4.1 上位機的設計

家庭空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)通過特殊設計的上位機對室內的溫度、濕度、TVOC (甲醛、甲苯、二甲苯等揮發(fā)氣體)以及 TSP (室內微小空氣顆粒物濃度)進行實時監(jiān)控顯示，并增加了數(shù)據(jù)曲線繪制，能夠直觀的查看各指標的變化情況和歷史數(shù)據(jù)，對空氣指標含量監(jiān)測具有重要意義。上位機基本收發(fā)界面見圖13，上位機監(jiān)控曲線界面見圖14。

圖13 上位機基本收發(fā)界面設計圖

4.2 實驗結果

具體實驗結果參見表1，包括同一條件下溫/濕度傳感器的數(shù)據(jù)測量、灰塵傳感器的數(shù)據(jù)測量、VOC傳感器的數(shù)據(jù)測量(用酒精測試)結果。

圖14 上位機監(jiān)控曲線界面設計圖

表1 溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)測量結果

以上的監(jiān)測結果是在系統(tǒng)長時間穩(wěn)定工作后得出的數(shù)值，符合當時實驗室的環(huán)境狀況。針對系統(tǒng)的準確度，本系統(tǒng)在相同的時間段與環(huán)境下重復進行了多次監(jiān)測。將各項參數(shù)進行分析計算后，所得的平均相對偏差均在0.03%以內，達到了較精確的設計要求。因此,該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸可靠，具有良好的準確度。

5 結束語

本系統(tǒng)以STM32為核心實現(xiàn)了對家庭、空氣質量的實時監(jiān)測，系統(tǒng)性價比高、體積小、重量輕、方便攜帶，具有極高的可靠性與長期穩(wěn)定性。經(jīng)過測試，本系統(tǒng)能實現(xiàn)對室內溫度、濕度、甲醛、甲苯、二甲苯等揮發(fā)氣體以及室內的空氣微小顆粒物濃度的監(jiān)測，能全面、準確地檢測出室內各類對人體有影響的氣體含量，而且標新設計的上位機實時監(jiān)控，保障了室內居住的空氣質量的安全性，具有很好的應用價值。

[1] 周毅，王濤，張晨等. 建筑物室內空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)設計與研究 [J]. 現(xiàn)代建筑電氣，2014(9)：47-51.

[2] 鮑建，凌志浩，范自道. 異構網(wǎng)絡下空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) [J]. 自動化與儀表，2014,35(7)：52-55.

[3] 范奧博，鐵治欣，吳銘程等. 室內空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)的設計 [J]. 浙江理工大學學報，2015,33(3):382-389.

[4] 李軍，幸堅炬，李木榮. 室內空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn) [J]. 廣東技術師范學院學報，2014(7):39-42.

[5] 常波，張新榮，胡榮林. 基于WSNs的大型樓宇空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)設計 [J]. 傳感器與微系統(tǒng)，2011,30(3):105-107.

[6] 王霞,宋越. 基于ZigBee的空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)的研究設計 [J]. 機械制造與自動化，2014(5):142-145.

[7] 王汝琳,李政,赫森等. 建筑無線空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)的設計[J]. 智能建筑, 2009(12):54-56.

Design and Implementation of Home Air Quality Monitoring System

Liu Shengrong / Zeng Xianglei / Qi Jincheng

Through the monitoring of indoor air quality, the control core family air quality monitoring system is design, which based on STM32 microcontroller with strong calculation processing ability, and achieving real-time acquisition and processing indoor temperature, humidity, VOCS and indoor tiny airborne particles, and once the numerical value exceed standard which will sound-light alarming.

air quality, monitor, upper-computer

青島理工大學名校工程專業(yè)建設與教學改革項目(MX4-123)；2016年國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(201610429029)。