室內(nèi)空氣質(zhì)量智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宋昌偉

（安康學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，陜西安康，725000）

近些年來(lái)，伴隨著居民生活水平的提高，人們對(duì)居住條件的要求也在逐漸提高，但在享受現(xiàn)代文明的同時(shí)，大氣污染和天燃?xì)獾热剂系氖褂茫瑢?dǎo)致室內(nèi)的污染問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，甚至威脅到居民的個(gè)人健康。所以，有效的監(jiān)測(cè)室內(nèi)的煙霧濃度、粉塵濃度和溫濕度是保障居民身體健康和良好工作生活環(huán)境的重要前提。現(xiàn)有的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的各方面性能仍有較大的提升空間，很多監(jiān)測(cè)裝置存在性能單一、實(shí)時(shí)性差，信息交換不直觀(guān)等缺點(diǎn)，已很難滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的健康需求[1-4]。因此，對(duì)現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行改進(jìn)，研發(fā)一個(gè)監(jiān)測(cè)功能齊全，報(bào)警響應(yīng)快，信息交互簡(jiǎn)單直觀(guān)的室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是非常必要的。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作后，根據(jù)PM2.5傳感器、溫濕度傳感器和煙霧濃度傳感器的輸出結(jié)果分別確定出室內(nèi)的PM2.5濃度、溫濕度和煙霧濃度。根據(jù)按鍵輸入的信號(hào)確定出粉塵和煙霧濃度的報(bào)警值，根據(jù)語(yǔ)音識(shí)別模塊的輸出結(jié)果確定出用戶(hù)輸入的語(yǔ)音命令，以上數(shù)據(jù)送入到主控制芯片進(jìn)行分析和處理，得到的結(jié)果在本機(jī)的顯示器件同步輸出。當(dāng)PM2.5濃度和煙霧濃度的測(cè)量結(jié)果超過(guò)上限報(bào)警值時(shí)，報(bào)警器件會(huì)自動(dòng)輸出聲音報(bào)警提示信息。另外，當(dāng)語(yǔ)音識(shí)別模塊檢測(cè)到用戶(hù)輸入的合法口令時(shí)，語(yǔ)音播放模塊可以自動(dòng)播放出溫濕度、PM2.5濃度和煙霧濃度的測(cè)量結(jié)果。系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。

圖1 空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

(1)系統(tǒng)硬件選型

本系統(tǒng)主控核心板上使用的STM32F103芯片是基于Cortex-M3內(nèi)核擴(kuò)展的32位可編程芯片，芯片內(nèi)集成了定時(shí)器、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)交互接口（串口、I2C和SPI）、Flash存儲(chǔ)器和IO控制口等多種開(kāi)發(fā)資源，并且該芯片主要的優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用范圍大，具備很好的實(shí)時(shí)性能、較小的功耗控制性能。

數(shù)據(jù)采集模塊主要有：環(huán)境煙霧濃度檢測(cè)使用的MQ-2氣體傳感器；PM2.5濃度檢測(cè)模塊使用的GP2Y1014AU傳感器[5-6]；環(huán)境溫濕度檢測(cè)使用的DTH11傳感器。顯示模塊采用的是OLED液晶屏；交互模塊主要有：環(huán)境語(yǔ)音檢測(cè)使用的LD3320語(yǔ)音識(shí)別模塊。

(2)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

核心板的硬件由STM32F103 芯片、晶振、電容和電阻等組成，電路設(shè)計(jì)時(shí)，主控芯片外連的擴(kuò)展電路如圖2所示。

在圖2中，晶振X1、貼片電容C1和C2組成了時(shí)鐘電路，該電路為主處理芯片提供基礎(chǔ)的工作時(shí)鐘，X1晶振輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)芯片內(nèi)部的鎖相環(huán)9倍頻后得到72MHz時(shí)鐘為主處理芯片的串口、ADC轉(zhuǎn)換單元和PA～PC口的工作提供所需的時(shí)鐘源。電容C1和C2可以穩(wěn)定X1晶振頻率，并濾除晶振工作時(shí)可能產(chǎn)生的干擾信號(hào)。

圖2 核心板硬件電路圖

PM2.5濃度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)時(shí)，傳感器工作所需的正電源在P2端的6腳接入，負(fù)電源在P2端子的4腳接入，LED燈的負(fù)極和地相連，LED的正極接線(xiàn)腳和5V電源通過(guò)150Ω的電阻R6相連，數(shù)字信號(hào)輸入腳LED和地相連，模擬量輸出引腳AO和STM32芯片的PA0腳相連。粉塵濃度檢測(cè)電路的連線(xiàn)方法如圖3所示。

在圖3中，GP2Y1014AU傳感器的監(jiān)測(cè)結(jié)果通過(guò)PA1腳輸入到主處理芯片，軟件中將PA1腳的功能設(shè)置為模擬量檢測(cè)腳，通過(guò)對(duì)PA1腳輸入的量化結(jié)果進(jìn)行處理，即可計(jì)算出傳感器周?chē)姆蹓m濃度值。

圖3 粉塵濃度檢測(cè)模塊電路圖

溫濕度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)時(shí)，傳感器的正電源腳VCC直接接入5V電壓，GND腳直連0V電壓。數(shù)據(jù)輸出腳DATA通過(guò)上拉電阻R7直連在PB5腳。溫濕度檢測(cè)電路的連線(xiàn)方法如圖4所示。

圖4 溫濕度檢測(cè)模塊電路圖

在圖4中，軟件中將PB5腳設(shè)置為輸出引腳，此時(shí)利用PB5腳將控制命令發(fā)送給DHT11傳感器，控制傳感器讀取環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)。然后將PB5腳設(shè)置為數(shù)據(jù)輸入腳，利用PB5腳接收DHT11傳感器返回的監(jiān)測(cè)結(jié)果。最后根據(jù)保存的32個(gè)數(shù)據(jù)即可計(jì)算出環(huán)境的溫度和濕度值。

語(yǔ)音識(shí)別電路設(shè)計(jì)時(shí)，LD3320模塊的正電源腳VCC直連在5V電壓，負(fù)電源腳GND直連在0V電壓。數(shù)據(jù)輸出腳TXD和主控芯片的PB10引腳直連，數(shù)據(jù)輸入腳RXD和主控芯片的PB11引腳直連。語(yǔ)音識(shí)別電路的具體連線(xiàn)方法如圖5所示。

圖5 語(yǔ)音識(shí)別模塊電路圖

電路工作時(shí)，LD3320識(shí)別語(yǔ)音模塊會(huì)自動(dòng)檢測(cè)周?chē)穆曇粜畔ⅲ?dāng)識(shí)別到“環(huán)境質(zhì)量”語(yǔ)音指令時(shí)，語(yǔ)音識(shí)別模塊會(huì)向通過(guò)串口向STM32處理芯片發(fā)送語(yǔ)音識(shí)別成功指令，STM32芯片通過(guò)對(duì)處理串口3的接收中斷事件即可接收到語(yǔ)音檢測(cè)模塊的識(shí)別結(jié)果。

語(yǔ)音播放電路設(shè)計(jì)時(shí)，MY1680語(yǔ)音模塊的正電源腳VCC直連在5V電壓，負(fù)電源腳GND直連在0V電壓。數(shù)據(jù)輸出腳TXD和主控芯片的PA10引腳直連，數(shù)據(jù)輸入腳RXD和主控芯片的PA9引腳直連。語(yǔ)音播放電路的具體連線(xiàn)方法如圖6所示。

圖6 語(yǔ)音播放模塊電路圖

電路工作時(shí)，STM32芯片會(huì)通過(guò)PA9腳將語(yǔ)音播放指令和播放文件的地址發(fā)送給MY1680模塊，語(yǔ)音模塊接收到控制命令時(shí)，會(huì)自動(dòng)播放出該文件中存儲(chǔ)的語(yǔ)音信息內(nèi)容。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了確?？諝赓|(zhì)量系統(tǒng)硬件可以有序工作，本系統(tǒng)將在keil4開(kāi)發(fā)環(huán)境中對(duì)硬件各模塊電路的控制原理及工作順序進(jìn)行規(guī)劃。系統(tǒng)軟件整體實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)功能，一是對(duì)硬件進(jìn)行初始化配置，明確器件的初始狀態(tài)，二是控制器件按照固定地邏輯有序地工作。主程序的執(zhí)行流程如圖7所示。

圖7 主程序執(zhí)行流程圖

數(shù)據(jù)采集模塊以粉塵濃度傳感器為例，粉塵濃度檢測(cè)程序通過(guò)啟動(dòng)PA1腳的電壓測(cè)量功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)GP2Y1014A輸出電壓的檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)的結(jié)果通過(guò)數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換關(guān)系M=（5Vout-3）/29×1000確定出室內(nèi)的粉塵濃度煙值。粉塵濃度檢測(cè)程序的執(zhí)行流程如圖8所示。

圖8 粉塵濃度檢測(cè)子程序執(zhí)行流程圖

按煙霧濃度程序執(zhí)行時(shí)，先打開(kāi)PA口的是時(shí)鐘，配置PA1口作為輸出引腳使用。其次使能PA1腳的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，并輸出采樣控制信號(hào)，即采樣的通道設(shè)置為1，采樣的周?chē)O(shè)置為239.5μs。最后根據(jù)PA1腳接收的電壓值量化結(jié)果計(jì)算出環(huán)境周?chē)姆蹓m濃度值。

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)物圖如圖9所示，測(cè)試時(shí)，分為單一模塊測(cè)試和系統(tǒng)整體測(cè)試兩個(gè)部分。通過(guò)單一模塊測(cè)試和設(shè)置相應(yīng)模塊的濃度閾值，當(dāng)超過(guò)閾值時(shí)，發(fā)生報(bào)警。當(dāng)對(duì)LD3320語(yǔ)音識(shí)別模塊說(shuō)出“環(huán)境質(zhì)量”口令時(shí)，MY1680模塊會(huì)自動(dòng)播放出溫濕度、煙霧濃度和粉塵濃度的監(jiān)測(cè)結(jié)果。系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時(shí)，通過(guò)改變環(huán)境溫濕度、煙霧濃度和粉塵濃度的測(cè)試條件模擬出變化的測(cè)試條件，液晶屏上同步顯示出各個(gè)監(jiān)測(cè)參數(shù)的測(cè)量結(jié)果為：環(huán)境溫度18℃、濕度為66%RH、煙霧濃度為18ppm、粉塵濃度為26ug/m3，且粉塵濃度監(jiān)測(cè)數(shù)值與真實(shí)值的相對(duì)誤差<7%，溫度絕對(duì)誤差<2℃，濕度絕對(duì)誤差<4%RH。各模塊運(yùn)行正常，整體運(yùn)行良好[7]。

圖9 系統(tǒng)實(shí)物圖

5 總結(jié)

隨著人們生活水平的提高，每個(gè)家庭的室內(nèi)環(huán)境空氣質(zhì)量也就成為了重中之重。為了能夠?qū)崟r(shí)的提醒和檢測(cè)家中的空氣質(zhì)量，本文研究并設(shè)計(jì)了一個(gè)基于STM32實(shí)現(xiàn)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)如下功能：

(1)可實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)環(huán)境溫濕濕度、煙霧濃度和粉塵濃度的檢測(cè)。

(2)當(dāng)溫濕濕度、煙霧濃度或粉塵濃度超標(biāo)時(shí)可以輸出報(bào)警信息。

(3)當(dāng)接收到用戶(hù)輸入的語(yǔ)音信息播放命令時(shí)，可以控制系統(tǒng)的聲音輸出模塊自動(dòng)播放出實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)結(jié)果。

通過(guò)系統(tǒng)測(cè)試，本系統(tǒng)具有檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠、信息交互簡(jiǎn)單直觀(guān)等優(yōu)點(diǎn)，適合在普通家庭中推廣應(yīng)用，可為居民提供更好的生活及居住環(huán)境。