室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

吳梅梅，郝越鑫，王德永

（1.河北軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 保定 071000；2.芯華創(chuàng)（北京）電子科技有限公司，北京 100000）

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，工業(yè)化、城市化進(jìn)程日益加快，但也使得室內(nèi)環(huán)境污染越來(lái)越嚴(yán)重，不僅危害到人們的身體健康，也造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，所以長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)室內(nèi)空氣質(zhì)量顯得尤為重要。

目前的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)普遍存在室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)目標(biāo)單一、使用門檻高、價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)，本系統(tǒng)基于智能傳感器模組可以做到通過(guò)WIFI 和MCU接入家庭無(wú)線網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控、查詢。該室內(nèi)空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于無(wú)線傳輸系統(tǒng)，將PM2.5、CO2、溫度、濕度、甲醛、TVOC、噪聲等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)，所有監(jiān)測(cè)參數(shù)可根據(jù)項(xiàng)目要求做實(shí)際調(diào)整，數(shù)據(jù)經(jīng)后臺(tái)采集分析后自動(dòng)在PC 端、移動(dòng)端進(jìn)行展示和超標(biāo)報(bào)警。該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用在智能家庭、智慧樓宇、生產(chǎn)車間等有特殊環(huán)境要求的室內(nèi)空間，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境質(zhì)量平臺(tái)，將各監(jiān)測(cè)分散點(diǎn)統(tǒng)一監(jiān)控，對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化信息管理，增強(qiáng)管控效果的同時(shí)也節(jié)省了人力、物力等經(jīng)濟(jì)成本。

1 主要研究?jī)?nèi)容

本項(xiàng)目分為硬件系統(tǒng)和后端軟件云系統(tǒng)兩部分。硬件系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)溫濕度、甲醛、TVOC、PM2.5等參數(shù)的感知和數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)端傳輸，后端軟件傳感云系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)端的處理顯示和統(tǒng)計(jì)管理。

1.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

系統(tǒng)整體架構(gòu)主要由系統(tǒng)平臺(tái)、WIFI 無(wú)線路由器和多個(gè)區(qū)域傳感器模塊組成，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

其運(yùn)行流程是系統(tǒng)由多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)WIFI 無(wú)線路由器將采集到的室內(nèi)空氣的溫濕度和空氣質(zhì)量信息傳到系統(tǒng)平臺(tái)，很好的實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫濕度和空氣質(zhì)量的感知和檢測(cè)，后臺(tái)可以通過(guò)PC 或者手機(jī)端APP 登錄到系統(tǒng)平臺(tái)查詢到前臺(tái)采集的數(shù)據(jù)信息。

1.2 硬件系統(tǒng)框圖

硬件系統(tǒng)主要由MCU 控制器、傳感器、電源處理及WIFI 模塊四大部分組成，如圖2 所示。

圖2 硬件系統(tǒng)框圖

1.3 STM32F030F4P6 MCU 控制器

系統(tǒng)中控制器采用意法半導(dǎo)體公司的STM32F030F4P6 為32-bit Cortex TM-M0 微控制器。該控制器具有豐富的外設(shè)配置，如工作電壓支持3.3V，主頻可以工作到48MHz，16K Flash，4KSRAM，1 路 硬 件I2C，1 路UART 串 口，1 路ADC 和TSSOP20 封裝。

1.4 傳感器各單元

本系統(tǒng)用到3 類傳感器，均采用盛思銳公司的相關(guān)產(chǎn)品，分別為溫濕度傳感器SHT41，TVOC空氣質(zhì)量監(jiān)控SGP30，監(jiān)測(cè)甲醛的模塊SFA30。

溫濕度傳感器使用的是盛思銳的第四代溫濕度傳感器產(chǎn)品SHT41，這是一款高精度的工業(yè)級(jí)別產(chǎn)品，其中相對(duì)濕度測(cè)量范圍為0～100%RH，測(cè)量精度可以達(dá)到±2%RH，分辨率為0.01%RH，響應(yīng)時(shí)間t63%，典型值為4s，長(zhǎng)期漂移＜0.25%FH/y，溫度測(cè)量范圍為-40℃～125℃，精度可以達(dá)到±0.2℃，分辨率為0.01℃，響應(yīng)時(shí)間t63%典型值為2s，長(zhǎng)期漂移＜0.03℃/y。要想得到更好的傳感器特性推薦傳感器工作再溫度5°C～60°C 溫度范圍和20%RH～80%RH 濕度范圍，如果長(zhǎng)期工作在規(guī)定的正常工作范圍外的環(huán)境會(huì)加速傳感器的老化，影響傳感器工作壽命。SHT41 對(duì)外硬件接口I2C總線工作范圍為2.3V～5.5V，同時(shí)可以支持3V 和5V 供電系統(tǒng)。I2C 器件地址為0x44，本系統(tǒng)中SFA30 采用3V I2C 電平。

TVOC 傳感器SGP30 用于監(jiān)測(cè)室內(nèi)空氣質(zhì)量，SGP30 是第一款單一芯片上集成多個(gè)傳感元件的金屬氧化物氣體傳感器，可提供空氣質(zhì)量的詳細(xì)信息，如二氧化碳（CO2）和揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）的含量。其原理是基于H2 和乙醇的檢測(cè)等效測(cè)量環(huán)境中CO2和VOC 的濃度，SGP30 的最大工作范圍在溫度5℃～55℃和絕對(duì)濕度4g/m2～30g/m3，但是推薦傳感器工作在溫度5℃～30℃和小于絕對(duì)濕度30g/m3，超出此范圍會(huì)加速傳感器的老化。SGP30 對(duì)外硬件接口I2C 總線工作電壓為1.8V，I2C 器件地址為0x58。

甲醛監(jiān)測(cè)傳感模塊SFA30 工作電壓支持3V 和5V 系統(tǒng)，內(nèi)置溫濕度補(bǔ)償，其測(cè)量范圍為0～1000ppb，測(cè)量精度±20ppb 或測(cè)量值的±20%，對(duì)外接口同時(shí)支持UART 和I2C。I2C 器件地址為0x5D。本系統(tǒng)中SFA30 采用3V I2C 電平。

1.5 電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)由1 節(jié)4.2V 可充電18650 鋰電池供電，電池容量為1200mAH。充電方案采用賽微微電子有限公司Cellwise 的CW6305，其最高可以支持500mA 充電。參考電源處理架構(gòu)如圖3 所示。圖4為CW6305 內(nèi)部功能框圖。

圖3 電源處理架構(gòu)圖

CW6305 芯片內(nèi)部具有路徑選擇器，當(dāng)有外部電源DC/VBUS 供電時(shí)，通過(guò)Vsys 引腳供電到Vsys 整個(gè)后級(jí)系統(tǒng)即圖4 中路徑1，相反當(dāng)電源DC/VBUS 不在位時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)電池對(duì)后級(jí)系統(tǒng)供電即圖4 中路徑2，另外路徑3 是外部電源DC 或者VBUS 供電時(shí)的電池充電路徑。

圖4 CW6305 內(nèi)部功能框圖

后級(jí)電路中選用了Cellwise 的兩片CW6601分別產(chǎn)生3.3V 和1.8V 電平輸出。CW6601 為超級(jí)靜態(tài)功耗的DC/DC 降壓芯片，其中3.3V 給MCU STM32F030F4P6 和上文提到的工作在3.3V 電壓傳感器的SHT41 和SFA30 供電，同時(shí)給工作在1.8V 的SGP30 供電。圖5 為CW6601 典型應(yīng)用圖，圖6 為輸出真值表圖。芯片可以通過(guò)引腳VSEL1，VSEL2，VSEL3 設(shè)置輸出具體電平。當(dāng)VSEL1=VSEL3=0，VSEL2=1，CW6601 配置輸出1.8V；當(dāng)VSEL1 =VSEL2 =VSEL3 =1，CW6601 配 置 輸 出3.3V。

圖5 CW6601 典型應(yīng)用圖

圖6 CW6610 輸出電平設(shè)置真值表

1.6 硬件設(shè)計(jì)電平轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)

傳感器SGP30 工作電壓為1.8V 工作電壓，而MCU STM32F030F4P6 使用的是3.3V 供電，為了保障IIC 接口電平SDA 和SCL 工作正常，引入電平轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)電平由3.3V 到1.8V 的轉(zhuǎn)換，如圖7 所示。

圖7 電平轉(zhuǎn)換電路

1.7 WIFI 模塊

WIFI 模塊采用樂(lè)鑫公司的ESP-WROOM-5V2L 模組實(shí)現(xiàn)，因?yàn)镋SP-WROOM-5V2L 模組支持IEEE802.11 b/g/n，采用PCB 板載天線，可以通過(guò)UART 接口與其他設(shè)備進(jìn)行通信，并且該款模組內(nèi)置3.3V LDO 穩(wěn)壓器及電平轉(zhuǎn)換電路，接口邏輯電壓可支持5V/3.3V 兼容，其外圍接口電路如圖8 所示。

圖8 ESP-WROOM-5V2L 外圍設(shè)計(jì)圖

2 軟件實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)包括兩部分，一是硬件系統(tǒng)中的嵌入式軟件，二是服務(wù)器端（本地服務(wù)器或者云端服務(wù)器）進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的參數(shù)處理分析及存儲(chǔ)。系統(tǒng)支持兩個(gè)功能：（1）支持Boot Loader 固件升級(jí)；（2）支持App 遠(yuǎn)端查詢監(jiān)控當(dāng)前及歷史傳感器參數(shù)，從而了解室內(nèi)環(huán)境情況。該系統(tǒng)使用嵌入式C 語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)，IDE 開發(fā)環(huán)境使用Keil C。系統(tǒng)主要完成兩大任務(wù)，即傳感器采集和數(shù)據(jù)通信，具體流程如圖9 所示。

圖9 軟件流程圖

傳感器采集任務(wù)。系統(tǒng)每間隔5 分鐘啟動(dòng)一次，采集所有傳感器數(shù)據(jù)（包括溫濕度，甲醛和TVOC）并存儲(chǔ)本地。每一種傳感器采集數(shù)據(jù)最多存儲(chǔ)10 組數(shù)據(jù)，超過(guò)10 組數(shù)據(jù)進(jìn)行覆蓋。軟件系統(tǒng)支持報(bào)警閾值設(shè)置（1 級(jí)報(bào)警和2 級(jí)報(bào)警燈光指示），當(dāng)超出設(shè)置閾值時(shí)具有2 個(gè)紅色LED 光指示輸出功能，并根據(jù)采集數(shù)據(jù)判斷是否清除報(bào)警指示燈光狀態(tài)。

通信任務(wù)。通過(guò)WIFI 喚醒終端設(shè)備。具體工作流程是：在終端設(shè)備通過(guò)WIFI 連接到路由器（AP）從而加入局域網(wǎng)或者Internet，在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)其它終端設(shè)備（如PC 或者手機(jī)）給喚醒終端設(shè)備發(fā)送喚醒數(shù)據(jù)包，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程喚醒終端。在終端設(shè)備進(jìn)入休眠狀態(tài)時(shí)候通過(guò)WIFI 喚醒終端設(shè)備，基本原理是給休眠的終端主控一個(gè)喚醒信號(hào)，使終端設(shè)備從休眠狀態(tài)退出，從而節(jié)省終端功耗。

3 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)進(jìn)行了室內(nèi)空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)，并可以授權(quán)用戶通過(guò)遠(yuǎn)端終端實(shí)時(shí)訪問(wèn)傳感器數(shù)據(jù)，整個(gè)系統(tǒng)成本較低且簡(jiǎn)單實(shí)用，對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量的監(jiān)控具有一定的現(xiàn)實(shí)意義，同時(shí)很容易擴(kuò)展到其他應(yīng)用場(chǎng)景。