張加宏+潘周光+劉進(jìn)+李敏+顧芳

摘 要： 為了準(zhǔn)確便攜地測(cè)量室內(nèi)溫度、相對(duì)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(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種遠(yuǎn)程室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該智能系統(tǒng)采用STM32單片機(jī)作為主控制器來處理和發(fā)送數(shù)據(jù)。針對(duì)室內(nèi)環(huán)境因素的特點(diǎn)，分別選取穩(wěn)定性強(qiáng)、靈敏度高、低功耗的傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，并配有LCD模塊顯示當(dāng)前數(shù)值，同時(shí)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(shí)通知用戶室內(nèi)環(huán)境情況，用戶可以回復(fù)已設(shè)定好的數(shù)字信息實(shí)現(xiàn)對(duì)智能設(shè)備的遠(yuǎn)程操控。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用，該智能化室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)與調(diào)控系統(tǒng)的測(cè)量精度達(dá)到普通環(huán)境監(jiān)測(cè)要求，穩(wěn)定性好，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： STM32； 顯示模塊； GSM模塊； 傳感器； 智能設(shè)備

中圖分類號(hào)： TN911?34； TH89 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(shí)顯著增強(qiáng)，室內(nèi)空氣污染備受關(guān)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(shí)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(xiàng)參數(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)并具有遠(yuǎn)程調(diào)控功能的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已成為必然的趨勢(shì)。本文提出了一種基于ARM?STM32的遠(yuǎn)程室內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)測(cè)與調(diào)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅集成了先進(jìn)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(wú)線傳輸模塊，而且配備了智能手機(jī)客戶端，使得威脅人體健康的污染因素得到遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及有效調(diào)控。該系統(tǒng)安全系數(shù)高，便于遠(yuǎn)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(jié)構(gòu)及工作原理

本文的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，其由STM32單片機(jī)模塊、各類傳感器模塊、無(wú)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(jī)信息接收端等部分構(gòu)成。其中：傳感器模塊主要檢測(cè)室內(nèi)環(huán)境的溫濕度、CO2、氣壓、甲醛、氣溶膠懸浮顆粒；無(wú)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(fù)責(zé)接入GPRS無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)；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(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[3]；環(huán)境調(diào)控模塊主要包括智能開關(guān)、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(fēng)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(jī)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(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，TFTLCD會(huì)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的數(shù)值，測(cè)得的數(shù)據(jù)也及時(shí)保存到外部SD卡中。當(dāng)檢測(cè)的值超過系統(tǒng)設(shè)定的值時(shí)，單片機(jī)通過串口發(fā)送一個(gè)高電平給無(wú)線傳輸模塊，使無(wú)線傳輸模塊發(fā)送短信到設(shè)定的手機(jī)號(hào)碼，用戶便可以查看短信來了解室內(nèi)環(huán)境質(zhì)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(fù)已設(shè)定好的數(shù)字信息來遠(yuǎn)距離操控智能開關(guān)和紅外遙控器。智能開關(guān)主要控制一些電器的開和關(guān)，紅外遙控器既能控制開關(guān)還具有調(diào)節(jié)的功能。當(dāng)系統(tǒng)處理器收到用戶發(fā)來的指令時(shí)，能夠根據(jù)指令內(nèi)容進(jìn)行相關(guān)操作。類似地，傳感器的開啟和關(guān)閉也可通過無(wú)線傳輸模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，從而凸顯出了低功耗和選擇性檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 核心處理器的選擇

意法半導(dǎo)體公司研發(fā)的STM32系列處理器是基于Cortex?M3內(nèi)核架構(gòu)，它們專用于滿足處理性能強(qiáng)、功耗低、實(shí)時(shí)性好、成本低的嵌入式場(chǎng)合要求[4?5]。在以下場(chǎng)合應(yīng)用較頻繁：工業(yè)使用場(chǎng)合、低能耗使用場(chǎng)合、建筑和安防應(yīng)用、消費(fèi)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(yùn)算速率可以達(dá)到72 MHz，片內(nèi)集成512 KB FLASH，64 KB RAM，1個(gè)USB，1個(gè)CAN，112個(gè)GPIO，8個(gè)定時(shí)器，5個(gè)USART，3個(gè)ADC，1個(gè)SDIO，2個(gè)DAC，3個(gè)SPI，2個(gè)I2C，2個(gè)I2S，1個(gè)SDIO FSMC總線。

2.2 傳感器選型

作為室內(nèi)環(huán)境多參數(shù)測(cè)量中最為關(guān)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(jié)合測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)際需要，選用BMP180傳感器進(jìn)行氣壓測(cè)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(cè)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(jìn)行氣溶膠顆粒檢測(cè)，該傳感器基于光散射原理，PM1以上的粒子均可被靈敏檢測(cè)到；采用AM2320溫濕度復(fù)合型傳感器進(jìn)行溫濕度測(cè)量[7]，溫度測(cè)量范圍為-35～75 ℃，相對(duì)濕度測(cè)量范圍0～99.5%，其信號(hào)以40位串行數(shù)據(jù)輸出，傳輸距離可達(dá)20 m以上；選用MS1100甲醛傳感器進(jìn)行甲醛濃度檢測(cè)[8]，其能夠偵測(cè)0～100×10-6 kg/m3濃度范圍內(nèi)的氣體，選取AD8628芯片對(duì)微弱的輸出信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算放大；選用基于非分散紅外線技術(shù)的CO2傳感器，其采用單通道技術(shù)，具有穩(wěn)定性好、精度高等特點(diǎn)。

2.3 無(wú)線傳輸模塊設(shè)計(jì)

無(wú)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(dāng)工作電壓為4.0 V時(shí)，此模塊性能達(dá)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(shè)為19 200 b/s，TXD，RXD為發(fā)送、接收端，分別與STM32單片機(jī)的PA10，PA9連接。各類傳感器檢測(cè)的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)數(shù)值可由無(wú)線傳輸模塊以短信的形式發(fā)送到用戶手機(jī)上，以便于用戶遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)了解室內(nèi)環(huán)境狀況。

2.4 電源電路設(shè)計(jì)

在本文設(shè)計(jì)中電源模塊分為兩部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)及外圍設(shè)備供電模塊和SIM900A供電模塊。單片機(jī)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(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的是直流電磁繼電器，型號(hào)為HK4100F?DC5V?SH，其電路如圖4所示，鑒于STM32單片機(jī)端口輸出的電流不足以驅(qū)動(dòng)電磁繼電器，因此在本設(shè)計(jì)中通過NPN型三極管8050先對(duì)輸出電流進(jìn)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(jī)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(gè)二極管1N4148、一個(gè)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(shè)計(jì)中每個(gè)傳感器模塊都連接了一個(gè)電磁繼電器。

3 軟件模塊設(shè)計(jì)

3.1 GSM控制指令

系統(tǒng)中采用GSM無(wú)線通信模塊SIM900A實(shí)現(xiàn)兩者的數(shù)據(jù)通信。GSM無(wú)線通信模塊SIM900A通過AT命令來進(jìn)行控制，采用短消息模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過服務(wù)中心（Service Center）完成信息的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)后，再利用SMS短信息服務(wù)進(jìn)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(shí)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(duì)收發(fā)PDU數(shù)據(jù)格式進(jìn)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(shè)計(jì)流程

系統(tǒng)運(yùn)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(shè)置波特率等。利用 STM32控制器自帶的A/D轉(zhuǎn)換功能對(duì)前端傳感器模塊采集到的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，數(shù)值通過 LCD實(shí)時(shí)顯示，并存儲(chǔ)在SD卡中。當(dāng)檢測(cè)的參數(shù)值超出系統(tǒng)設(shè)定的范圍時(shí)，STM32主控制器通過 SIM900A 發(fā)送短信及時(shí)通知用戶，用戶根據(jù)接收到的短信息，回復(fù)相應(yīng)的數(shù)字信息實(shí)現(xiàn)對(duì)智能設(shè)備的遠(yuǎn)距離控制。另外為了降低功耗，有選擇性的檢測(cè)，用戶也可以通過GSM網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送指令給微控制器來驅(qū)動(dòng)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(yuǎn)程智能管理環(huán)境調(diào)控模塊來開啟和關(guān)閉空調(diào)、加濕器、空氣凈化器、新風(fēng)系統(tǒng)等設(shè)備，改善室內(nèi)環(huán)境。如果用戶在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒有回復(fù)信息，系統(tǒng)會(huì)在5 min后重新發(fā)送信息給用戶，直到收到回復(fù)信息才停止。

4 系統(tǒng)測(cè)試及實(shí)驗(yàn)分析

4.1 系統(tǒng)測(cè)試

基于前面軟硬件的設(shè)計(jì)，根據(jù)需要制定了實(shí)驗(yàn)板并焊接各個(gè)傳感器及GSM模塊、核心板模塊和供電模塊，然后進(jìn)行接線，保證不發(fā)生短接、空接或接錯(cuò)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(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)某绦蛘{(diào)試時(shí)，若手機(jī)端收到數(shù)據(jù)，則調(diào)試成功，否則，檢查相應(yīng)的程序錯(cuò)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(shí)物如圖6所示，LCD顯示的數(shù)值如圖7（a）所示，手機(jī)端接收到的信息如圖7（b）所示。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

溫濕度的標(biāo)定嚴(yán)格根據(jù)溫濕度傳感器行業(yè)規(guī)范和規(guī)程，結(jié)合恒溫恒濕箱C180來完成，系統(tǒng)所測(cè)得的溫濕度值與相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比結(jié)果如表2所示。

甲醛實(shí)驗(yàn)?zāi)K采用衛(wèi)家空氣甲醛自測(cè)盒所測(cè)數(shù)據(jù)和本系統(tǒng)做對(duì)比，甲醛自測(cè)盒最小分辨率為0.05 mg/m3，甲醛自測(cè)盒和系統(tǒng)所測(cè)數(shù)據(jù)值的對(duì)比結(jié)果如表3所示。

當(dāng)環(huán)境條件滿足溫度為20±3 °C、相對(duì)濕度<75%RH時(shí)，按照氣溶膠懸浮顆粒物測(cè)試儀檢定規(guī)程要求，結(jié)合全自動(dòng)粉塵檢測(cè)儀CCZ?1000測(cè)定可吸入氣溶膠顆粒物的濃度。該標(biāo)準(zhǔn)儀氣溶膠濃度測(cè)量范圍為0～1 000 mg/m3，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定儀氣溶膠濃度測(cè)量誤差小于10%，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定儀穩(wěn)定性相對(duì)誤差為±2.5%。標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定儀測(cè)量值和本系統(tǒng)所測(cè)數(shù)據(jù)值的對(duì)比結(jié)果如表4所示。

氣壓模塊結(jié)合Fluke PPC?4壓力全自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，精度達(dá)±0.008%，年穩(wěn)定性優(yōu)于±0.005%。壓力控制器穩(wěn)定度達(dá)4 ppm。Fluke PPC?4和本系統(tǒng)所測(cè)數(shù)據(jù)值的對(duì)比結(jié)果如表5所示。

從表2～表5的對(duì)比結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)的環(huán)境監(jiān)測(cè)與調(diào)控系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)儀器所測(cè)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(diǎn)漂移產(chǎn)生的誤差對(duì)測(cè)量精度有一定的影響，但在普通環(huán)境監(jiān)測(cè)條件下，對(duì)比結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)精度可以很好滿足實(shí)際檢測(cè)需求。同時(shí)本文實(shí)現(xiàn)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也便于用戶遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和智能調(diào)控，實(shí)用性更強(qiáng)。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)市場(chǎng)上一些室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)儀器存在的問題，并結(jié)合傳感、測(cè)量、通信以及無(wú)線控制等多種技術(shù)，本文研究且設(shè)計(jì)了室內(nèi)環(huán)境多參數(shù)遠(yuǎn)程檢測(cè)和調(diào)控系統(tǒng)。室內(nèi)環(huán)境的溫度、相對(duì)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(cè)和調(diào)控。在數(shù)據(jù)的采集、保存、傳輸?shù)秸{(diào)控的整個(gè)過程中，系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性都較強(qiáng)。同時(shí)，測(cè)量數(shù)據(jù)的分析也驗(yàn)證了該系統(tǒng)的測(cè)量精度基本符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)值，因此該系統(tǒng)能滿足普通家庭用戶的實(shí)際使用需求。

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