基于STM32的室內(nèi)空氣質(zhì)量智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)

張宇鑫 徐云捷 董文亮

【摘 要】為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)裝置智能化，在空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的基礎(chǔ)上改進(jìn)并增加智能控制模塊，從而實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量的自動(dòng)調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)采用STM32作為微處理器，集成多種傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)溫濕度、甲醛濃度、PM2.5濃度的實(shí)時(shí)采集和顯示，同時(shí)微處理器根據(jù)檢測(cè)結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣凈化裝置、開窗裝置、加濕器的智能控制，保證室內(nèi)空氣質(zhì)量符合健康要求。

【關(guān)鍵詞】STM32;溫濕度;甲醛濃度;PM2.5濃度;自動(dòng)控制

一、前言

近年來(lái)，空氣污染問(wèn)題頻頻發(fā)生，同時(shí)隨著生活水平的顯著提升，人們對(duì)于自身健康也越來(lái)越重視?？諝赓|(zhì)量品質(zhì)與人們的身體健康密切相關(guān)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)代人一天有80%的時(shí)間是在室內(nèi)活動(dòng)[1]。相比于室外，室內(nèi)空氣質(zhì)量的優(yōu)劣對(duì)人們的健康影響更大，因此人們對(duì)智能調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣質(zhì)量的需求愈來(lái)愈迫切。本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32微處理器的室內(nèi)空氣質(zhì)量智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過(guò)集成多種傳感器，經(jīng)微處理器處理，TFTLCD顯示屏實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)藍(lán)牙模塊傳送至終端APP，并實(shí)現(xiàn)對(duì)加濕器、空氣凈化裝置、開窗裝置等設(shè)備的自動(dòng)控制。

目前對(duì)于空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究也很廣泛，其中文獻(xiàn)[1]采用FPGA作為主控器處理傳感器采集的溫濕度、一氧化碳等信息，通過(guò)藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)與手機(jī)APP通信，同時(shí)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向來(lái)控制風(fēng)扇、濾網(wǎng)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外空氣交換。文獻(xiàn)[2]實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度、PM2.5監(jiān)測(cè)，并利用PWM輸出實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的多級(jí)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度及報(bào)警。文獻(xiàn)[3]采用ARM設(shè)計(jì)室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度、PM2.5、甲醛的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示，并通過(guò)WIFI模塊傳送至手機(jī)APP顯示。在空氣質(zhì)量檢測(cè)裝置的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣凈化裝置、加濕器、空調(diào)、開窗器等家用設(shè)備的智能控制來(lái)優(yōu)化室內(nèi)空氣質(zhì)量。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要包括微處理器、各傳感器模塊、TFTLCD液晶顯示模塊、電源模塊和藍(lán)牙傳輸模塊。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。微處理器是整個(gè)系統(tǒng)的核心模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)各傳感器所采集到的信號(hào)處理計(jì)算后并在TFTLCD液晶顯示屏上實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)通過(guò)HC-08藍(lán)牙模塊與手機(jī)端互聯(lián)，將數(shù)據(jù)傳送至手機(jī)終端APP中顯示。

三、系統(tǒng)功能及實(shí)現(xiàn)

（一）傳感器模塊

溫濕度傳感器選用AM2301溫濕度傳感器，是一款含已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度符合傳感器，數(shù)據(jù)傳輸采用單總線機(jī)制，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連，具有超快響應(yīng)、可靠性、穩(wěn)定性和很強(qiáng)的抗干擾性能。該傳感器溫度分辨率8/16bit、濕度分辨率8/16bit，濕度正常測(cè)量范圍0-99.9%RH，溫度為-40-80攝氏度。

甲醛傳感器選用MS1100傳感器。該傳感器能夠檢測(cè)多種半導(dǎo)體揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）混合氣體，對(duì)甲醛最為敏感，對(duì)苯、醇類等也會(huì)反應(yīng)，具有極高的靈敏度和穩(wěn)定性。該傳感器為模擬量輸出，經(jīng)過(guò)模數(shù)模塊轉(zhuǎn)換后可得到甲醛濃度。其中甲醛濃度轉(zhuǎn)換公式為：

Log（ppm） = -1.095 + 0.627Uout? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

Log（ppm） = -2.631 + 1.528 Uout + 0.125 U2out? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

其中（1）式為濃度（ppm）與模擬輸出電壓Uout的一階等式，（2）式為二階等式。

PM2.5傳感器選用GP2Y1014AU傳感器。該傳感器內(nèi)部利用光敏原理，通過(guò)成對(duì)角分布的紅外發(fā)光管和光電晶體管來(lái)監(jiān)測(cè)空氣中的灰塵放射光。其輸出模擬電壓正比于所測(cè)得粉塵濃度，故通過(guò)電壓值即可計(jì)算出空氣中的灰塵和煙塵的濃度。根據(jù)傳感器的輸出特性曲線可知：在0-0.5mg/m3范圍內(nèi)，PM2.5濃度轉(zhuǎn)換公式為：DustDensity = 0.17*Uout – 0.1。傳感器輸出為模擬量，采用ADC0832進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，其中Uout = ADout * （3.3/4096）。

（二）主控模塊

微處理器作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)完成統(tǒng)籌整體、數(shù)據(jù)計(jì)算、控制傳輸?shù)裙δ堋１敬卧O(shè)計(jì)選用ST公司的STM32F103ZET6增強(qiáng)型32位單片機(jī)，帶256K或512K字節(jié)閃存和高達(dá)64K的SRAM，擁有USB和CAN通信接口、11個(gè)定時(shí)器、3個(gè)12位精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器、2個(gè)I2C接口、5個(gè)USART串口接口和112個(gè)GPIO接口，外圍資源豐富，性能穩(wěn)定，基本能夠滿足本次設(shè)計(jì)需求。相比于傳統(tǒng)C51單片機(jī)，STM32功能更加強(qiáng)大，資源更加豐富，容量更大，運(yùn)行速度更快，且性價(jià)比更優(yōu)。

（三）通信模塊

本設(shè)計(jì)選用HG-08藍(lán)牙模塊，該模塊用于系統(tǒng)與小范圍內(nèi)終端設(shè)備的無(wú)線通信，通過(guò)將單片機(jī)輸出的串口信號(hào)轉(zhuǎn)換為無(wú)線信號(hào)，與終端設(shè)備如手機(jī)進(jìn)行藍(lán)牙互聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)在手機(jī)端APP上實(shí)時(shí)獲取系統(tǒng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)信息。

（四）顯示模塊

TFTLCD即薄膜晶體管液晶顯示器，是一類有源矩陣液晶顯示設(shè)備，每一個(gè)像素由一個(gè)集成在像素點(diǎn)后面的薄膜晶體管來(lái)驅(qū)動(dòng)，可有效地克服非選通時(shí)的串?dāng)_，使顯示液晶屏的靜態(tài)特性與掃描線數(shù)無(wú)關(guān)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高亮度、高對(duì)比度、高速的顯示信息。其視覺效果好，多尺寸可選的優(yōu)點(diǎn)能夠滿足不同用戶的需求。同時(shí)STM32F103ZET6型單片機(jī)，外設(shè)IO引腳豐富，基本能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動(dòng)液晶屏實(shí)時(shí)刷新顯示數(shù)據(jù)。故系統(tǒng)選通TFTLCD液晶屏作為現(xiàn)場(chǎng)顯示模塊。

（五）繼電器輸出電路

繼電器輸出電路用于實(shí)現(xiàn)對(duì)加濕器、開窗器等具有開關(guān)特性的家用設(shè)備進(jìn)行開關(guān)控制，微處理器通過(guò)輸出高低電平實(shí)現(xiàn)繼電器的開斷。

（六）紅外發(fā)射電路

紅外發(fā)射電路用于實(shí)現(xiàn)對(duì)空洞、空氣凈化器等具有遙控特性的家用設(shè)備進(jìn)行開關(guān)控制。

四、裝置測(cè)量結(jié)果

用溫濕度計(jì)成品與該裝置系統(tǒng)在不同地點(diǎn)進(jìn)行同時(shí)間測(cè)量，得出數(shù)據(jù)如表1所示。分析數(shù)據(jù)知，在相同時(shí)間，不同室內(nèi)環(huán)境的溫濕度、PM2.5、甲醛濃度均不相同，但相同時(shí)間地點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果基本相近。

五、室內(nèi)空氣質(zhì)量智能調(diào)節(jié)

（一）溫濕度調(diào)節(jié)

室內(nèi)空氣溫濕度對(duì)人體舒適度起著很重要的作用。當(dāng)環(huán)境溫度為18-25℃，相對(duì)濕度在40%-70%時(shí)，人體感覺最為舒適。[4] 若環(huán)境溫濕度指標(biāo)未達(dá)到人體舒適度指標(biāo)，微處理器發(fā)出控制信號(hào)，控制繼電器電路控制加濕器、開窗裝置工作或控制紅外發(fā)射電路來(lái)啟動(dòng)空調(diào)工作，直至室內(nèi)空氣溫濕度符合人體最佳舒適度。

（二）甲醛濃度和PM2.5濃度調(diào)節(jié)

依據(jù)我國(guó)《居室空氣中甲醛的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，居室空氣中的甲醛的最高容許濃度為0.08mg/m3。[5]按照我國(guó)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，PM2.5濃度在24小時(shí)內(nèi)的二級(jí)（居住區(qū)、文化區(qū)等）濃度限制的平均濃度最高值為75μg/m3。根據(jù)上述指標(biāo)分別設(shè)定相應(yīng)的界限值，若室內(nèi)空氣中甲醛含量或PM2.5含量超過(guò)人體健康標(biāo)準(zhǔn)，將啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)向用戶終端APP發(fā)送警告信息。同時(shí)微處理器發(fā)出控制信號(hào)，控制紅外發(fā)射電路來(lái)啟動(dòng)空氣凈化器工作，直至室內(nèi)空氣質(zhì)量水平達(dá)到要求。

六、結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于STM32的室內(nèi)空氣質(zhì)量智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，能夠檢測(cè)室內(nèi)環(huán)境溫濕度、甲醛濃度、PM2.5濃度，通過(guò)顯示屏進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示并通過(guò)藍(lán)牙模塊發(fā)送至手機(jī)終端APP中顯示，同時(shí)根據(jù)各項(xiàng)空氣指標(biāo)是否達(dá)標(biāo)，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的控制策略對(duì)空調(diào)、加濕器、開窗器、空氣凈化器等進(jìn)行智能控制，從而保持室內(nèi)空氣質(zhì)量符合人體健康標(biāo)準(zhǔn)。本設(shè)計(jì)具有良好的智能化、穩(wěn)定性、靈敏性及實(shí)用性，精度高，在智能家居領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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