茅天陽++趙亮

摘 要：為了實現(xiàn)對家居環(huán)境中溫度、濕度、甲醛、PM2.5、PM10等環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測，文中設(shè)計并實現(xiàn)了以STM32開發(fā)板為核心，憑借外部搭建的傳感器網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)采集，并通過LCD屏幕顯示環(huán)境數(shù)據(jù)的家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)測量精度高，具有較好的移植性和易用性。可通過GPRS通信模塊將檢測儀表連入云服務(wù)器，并可在遠端PC或移動電話上實時查看，從而節(jié)省了現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的時間并有效避免了有毒氣體對人體的傷害，具有較好的實時性、經(jīng)濟性和安全性。

關(guān)鍵詞：STM32開發(fā)板；甲醛；CO；PM2.5；傳感器；GPRS；云服務(wù)器

中圖分類號：TP273.5 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）07-0-04

0 引 言

進入21世紀(jì)以來，中國經(jīng)濟飛速發(fā)展，城鎮(zhèn)化道路建設(shè)步伐加快，人們在室內(nèi)活動的時間增多，因此對室內(nèi)環(huán)境的要求也越來越高，人們的辦公及居住空間逐漸增大，室內(nèi)裝修也更加頻繁。室內(nèi)空氣污染物主要來源于裝修材料揮發(fā)的甲醛、苯等有害物質(zhì)，可導(dǎo)致呼吸道疾病，長期慢性吸入低濃度甲醛可導(dǎo)致持續(xù)性頭痛、失眠、無力、心悸等；還會引發(fā)皮炎，過敏者甚至?xí)霈F(xiàn)麻疹[1-3]。此外，對于辦公場合，研究表明，良好的室內(nèi)空氣質(zhì)量可有效提高工作人員的工作效率[4-6]。因此人們需要對自己的生活環(huán)境有一個實時了解，家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)運而生，用戶只需上電啟動，儀器即可監(jiān)測環(huán)境參數(shù)，并把相應(yīng)結(jié)果實時顯示在屏幕上，同時還設(shè)有云端服務(wù)功能，可及時把一定周期內(nèi)的數(shù)據(jù)上傳云端，隨時隨地供分析使用。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計需求

基于STM32單片機開發(fā)板設(shè)計了一款家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，要求達到輕便、實時準(zhǔn)確監(jiān)測多項環(huán)境參數(shù)如溫度、濕度、甲醛、CO、PM2.5、PM10等。監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)具有實時顯示功能，把相應(yīng)參數(shù)傳輸至液晶屏幕，且該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)上傳云端功能，可把一定周期內(nèi)的數(shù)據(jù)按時間節(jié)點上傳到云端服務(wù)器，并通過手機App隨時隨地查看數(shù)據(jù)，以便數(shù)據(jù)的提取和分析。該系統(tǒng)的主要特點為可準(zhǔn)確、方便地測量多種有害氣體，可連入云端，體積小，方便攜帶和使用。

1.2 系統(tǒng)總體框架

根據(jù)設(shè)計需求分析，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)分為數(shù)據(jù)采集模塊，流程控制和數(shù)據(jù)處理模塊，LCD液晶顯示模塊，數(shù)據(jù)輸出模塊。

1.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集利用STM32自帶的ADC轉(zhuǎn)換通道對甲醛、CO氣體傳感器進行采樣；利用STM32對DHT11溫濕度傳感器輸出的單總線數(shù)字信號進行采集；利用STM32的串口對SDS01PM2.5/PM10傳感器輸出的數(shù)據(jù)進行接收和解析。

1.2.2 流程控制和數(shù)據(jù)處理模塊

該模塊是監(jiān)測儀的核心部分，包括對采集的數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換處理，對各硬件系統(tǒng)的初始化，串口初始化等。

1.2.3 LCD液晶顯示模塊

該模塊主要負責(zé)把監(jiān)測到已經(jīng)處理的數(shù)據(jù)在液晶屏幕上實時顯示出來，且顯示實時時鐘。

1.2.4 數(shù)據(jù)輸出模塊

該模塊負責(zé)將監(jiān)測到的實時數(shù)據(jù)通過GPRS模塊實時上傳到云端服務(wù)器，以便查看。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控芯片

本次設(shè)計采用STM32系列芯片，該系列產(chǎn)品具有價格低、功耗小、性能高等特點[7]。主要應(yīng)用在嵌入式開發(fā)領(lǐng)域，如智能家居，醫(yī)療設(shè)備等。該芯片含有48 KB SRAM、256 KB Flash，2個基本定時器，4個通用定時器，2個高級定時器， 2個DMA控制器（共12通道），3個SPI，2個I2C，5個串口，1個USB，1個CAN，3個12位ADC，1個12位DAC，1個SDIO接口及52個通用IO口[8-10]。

2.2 液晶顯示模塊

本系統(tǒng)采用2.8寸TFT-LCD模塊以ILI9320控制器為其驅(qū)動芯片，ILI9320液晶控制器自帶顯存。模塊可顯示字母、數(shù)字符號、中文。本設(shè)計通過STM32的普通IO口模擬8080總線來控制TFT-LCD的顯示。

2.3 傳感器選型

2.3.1 DHT11溫濕度傳感器

DHT11溫濕度傳感器是一款集溫濕度測量于一體的數(shù)字傳感器。該傳感器多用于需要采集溫度或者濕度的數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)中，具有較高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式測濕元件和一個NTC測溫元件。DHT11與單片機之間能采用簡單的單總線進行通信，只需一個I/O口[11]。因此該產(chǎn)品具有響應(yīng)速度快、抗干擾能力強、性價比高、純數(shù)字化信號輸出等優(yōu)點。DHT11數(shù)字濕溫度傳感器有四個引腳，其硬件接口電路如圖2所示。

2.3.2 MQ-7 一氧化碳傳感器

一氧化碳傳感器選擇MQ-7。該傳感器可檢測含有一氧化碳的混合氣體，是一款應(yīng)用于低成本領(lǐng)域的氣體傳感器[12]。一氧化碳傳感器接口電路如圖3所示。

2.3.3 ZE08-CH2O甲醛傳感器

ZH08-CH2O甲醛模組是一款通用型、小型化的電化學(xué)式甲醛傳感器。利用電化學(xué)檢測甲醛原理對空氣中的甲醛進行探測，具有良好的選擇性。該模組內(nèi)部有溫度傳感器，可自行進行溫度補償，達到更高的準(zhǔn)確性。

2.3.4 PM2.5/PM10傳感器

SDS01是一款專業(yè)的，一致性好，精度高的PM2.5傳感器。傳感器輸出的數(shù)據(jù)與官方單位一致，均為μg/m3。上電后數(shù)據(jù)即可輸出，使用簡單。同時該傳感器還具有快速的場景變換響應(yīng)，可滿足精確、高效率的檢測需求。

2.4 GPRS模塊

GPRSDTU （Data Terminal Unit）的全稱為數(shù)據(jù)傳輸單元，是一種物聯(lián)網(wǎng)無線數(shù)據(jù)終端，利用公用運營商網(wǎng)絡(luò)GPRS網(wǎng)絡(luò)為用戶提供無線長距離數(shù)據(jù)傳輸功能。USR-GPRS232-710采用工業(yè)級嵌入式處理器，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧。為用戶提供高速、穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)終端永遠在線，可多種協(xié)議轉(zhuǎn)換的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)。支持AT命令配置，支持短信配置和APN配置功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 主控程序

主控程序的第一個功能便是初始化相應(yīng)硬件設(shè)置，如LCD、LED初始化，串口初始化，ADC初始化，RTC時鐘初始化等。其次是對采用時間的控制和數(shù)據(jù)處理，及控制LCD屏幕輸出與GPRS上傳云端。系統(tǒng)總程序流程如圖4所示。

系統(tǒng)首先調(diào)用編寫好的初始化程序進行初始化，初始化內(nèi)容包括LCD初始化、ADC初始、DMA初始化、串口初始化、RTC時鐘初始化；其次是自檢，查看RTC時鐘和硬件DHT11是否初始化成功，若不成功則退出；自檢結(jié)束后顯示時鐘和一些需要顯示的固定標(biāo)志；通過時鐘控制系統(tǒng)每5 s采樣一次，并在采樣完成后處理數(shù)據(jù)；將處理后的數(shù)據(jù)實時顯示到LCD屏幕上；最后每隔1 min將數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)紾PRS模塊中，GPRS模塊再把數(shù)據(jù)上傳至云端。

3.2 數(shù)據(jù)采集程序

3.2.1 CO、甲醛氣體數(shù)據(jù)采集程序

本系統(tǒng)使用兩種氣體傳感器，分別為甲醛傳感器與CO傳感器，這兩者均輸出電壓信號，使用STM32自帶的ADC采樣輸入，需要三通道輸入，且本系統(tǒng)需連續(xù)采樣，故選擇ADC掃描模式輸入。采樣程序流程圖如圖5所示。

采樣流程首先應(yīng)初始化ADC，配置輸入通道和轉(zhuǎn)換時間，其次配置DMA通道、輸入輸出目標(biāo)地址及緩沖區(qū)大小。然后由軟件啟動ADC轉(zhuǎn)換，再通過DMA把數(shù)據(jù)存儲到數(shù)組中，之后關(guān)閉ADC轉(zhuǎn)換，將數(shù)組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到對應(yīng)數(shù)據(jù)存儲單元中。判斷是否到達下一次轉(zhuǎn)換時間，若到達則再次軟件開啟ADC轉(zhuǎn)換，重復(fù)上述過程，若沒到時間則等待，直到下一次轉(zhuǎn)換時間到，再重復(fù)上述過程。

3.2.2 溫濕度數(shù)據(jù)采集程序

主機發(fā)送開始信號后，延時20～40 μs后讀取DHT11的回應(yīng)信號，讀取時總線電平為低，則說明DHT11已響應(yīng)，而DHT11發(fā)送響應(yīng)信號后，把總線電平拉高，即為準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)，每一位數(shù)據(jù)傳輸開始都是低電平。若讀取響應(yīng)信號時為高電平，則說明DHT11無響應(yīng)。

串口通訊數(shù)據(jù)幀見表1所列。DHT11數(shù)據(jù)采集流程如圖6所示。

3.2.3 PM2.5、PM10數(shù)據(jù)采集程序

由于SDS01使用串口發(fā)送數(shù)據(jù)，所以需要確定通訊協(xié)議。本系統(tǒng)設(shè)定的串口波特率為9 600，數(shù)據(jù)位為8，無校驗位，停止位為1。傳感器一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀共10字節(jié)，由報文頭、指令號、數(shù)據(jù)、校驗及報文尾構(gòu)成。

SDS01先開啟對應(yīng)串口并使能串口接收中斷，當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)為0xAA時認為數(shù)據(jù)幀開始，并把之后的數(shù)據(jù)存入數(shù)組中暫時保存；當(dāng)接收到0xAB時，認為數(shù)據(jù)幀發(fā)送結(jié)束，此時對存入數(shù)組的第2～7字節(jié)求和，若與校驗和字節(jié)的數(shù)據(jù)一致，則認為成功發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，并把相應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示到液晶屏上。SDS01數(shù)據(jù)采集流程如圖7所示。

3.3 液晶驅(qū)動程序

本系統(tǒng)使用的TFT-LCD由STM32的普通IO口模擬8080總線來控制顯示，并將ILI9320控制器作為其驅(qū)動芯片。模塊的8080并口讀/寫應(yīng)先根據(jù)要寫入/讀取的數(shù)據(jù)類型設(shè)置RS為高（數(shù)據(jù)）/低（命令），然后拉低片選，選中ILI9341，之后根據(jù)要求置RD/WR為低。硬復(fù)位和初始化序列只需執(zhí)行一次即可。畫點先設(shè)置坐標(biāo)，寫GRAM指令與顏色數(shù)據(jù)，然后在LCD上就可看到對應(yīng)的點顯示寫入的顏色。

3.4 GPRS模塊配置及數(shù)據(jù)傳輸

3.4.1 Yeelink

物聯(lián)網(wǎng)逐漸進入我們的生活，方便我們隨時隨地查看遠端設(shè)備的運行狀態(tài)并對其進行控制，Yeelink提供了一個很好的云端服務(wù)器平臺。該系統(tǒng)采用Node.js語言提供傳感器接入服務(wù)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)超大并發(fā)接入；在解決數(shù)據(jù)存儲問題方面，Yeelink使用Hadoop分布式處理框架，針對傳感器數(shù)據(jù)在時間上具有的連續(xù)性，數(shù)據(jù)插入時速度相對恒定，數(shù)據(jù)需要快速取回等特點，做了相應(yīng)優(yōu)化工作，使得系統(tǒng)能夠穩(wěn)定健壯的提供數(shù)據(jù)存儲服務(wù)；在數(shù)據(jù)獲取方面，Yeelink使用基于RESTful架構(gòu)的開放API體系，通過統(tǒng)一的Web Service，使用戶在取回和管理自身傳感器數(shù)據(jù)時的界面更加友好簡單，可使用各種語言實現(xiàn)客戶端系統(tǒng)。設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)連接到Y(jié)eelink服務(wù)器，上傳本地檢測數(shù)據(jù)，電腦或手機可訪問設(shè)備數(shù)據(jù)。

3.4.2 GPRS模塊配置

打開與該GPRS模塊配套的配置軟件USR-GPRS-DTU-V2.3.4.924，在配置界面中選擇工作模式為數(shù)據(jù)透傳模式，該模式下可實現(xiàn)串口設(shè)備與服務(wù)器平臺之間的數(shù)據(jù)通訊；目標(biāo)IP為42.96.164.52，端口號為80，這是Yeelink的云服務(wù)器所在IP，之后的數(shù)據(jù)包都要發(fā)向該端口；設(shè)置心跳時間為60 s，心跳包格式為0x50，0x44，心跳包是由GPRS模塊發(fā)送給串口的數(shù)據(jù)，串口接到心跳包數(shù)據(jù)后開始上傳傳感器數(shù)據(jù)。

3.4.3 數(shù)據(jù)包傳輸流程

發(fā)送給Yeelink的數(shù)據(jù)包需要采用HTTP協(xié)議和JSON格式，具體格式如圖8所示。

其中，DEVICE_ID，SENSOR_ID，APIkey均在注冊后由網(wǎng)站分配獲得；length是發(fā)送內(nèi)容的長度，即圖中最后一行所包含的字符數(shù)；數(shù)據(jù)打包在圖中“22”所在位置。設(shè)備可根據(jù)返回的數(shù)據(jù)判斷是否發(fā)送成功。在GPRS數(shù)據(jù)上傳的流程中，先初始化串口并開啟串口接收中斷，當(dāng)接收到GPRS模塊發(fā)送的心跳包時，認為可上傳數(shù)據(jù)；主控芯片將數(shù)據(jù)打包，并依次發(fā)送至服務(wù)器，每個數(shù)據(jù)包發(fā)送完后需得到服務(wù)器響應(yīng)后才能發(fā)送下一個數(shù)據(jù)包。具體流程如圖9所示。

圖9 GPRS通信流程

4 系統(tǒng)組裝及數(shù)據(jù)測試

該系統(tǒng)可采用LCD顯示屏實時顯示數(shù)據(jù)，設(shè)計界面上三行分別顯示年份、時間、星期；下面依次顯示溫度、濕度、一氧化碳、甲烷、甲醛的測量數(shù)據(jù)。傳輸程序及原理圖準(zhǔn)備完成后，即完成了對系統(tǒng)的組裝工作。

系統(tǒng)組裝完畢后，在室內(nèi)條件下對其進行各項數(shù)據(jù)測試，并在液晶面板上顯示實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。基于STM32的家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)測試結(jié)果如圖10所示。

將系統(tǒng)數(shù)據(jù)上傳至云端且在手機應(yīng)用Yeelink上接收數(shù)據(jù)的系統(tǒng)調(diào)試效果如圖11所示。

至此，系統(tǒng)調(diào)試完畢。依據(jù)該系統(tǒng)所能實現(xiàn)的功能，可對室內(nèi)的溫度、濕度、一氧化碳、甲烷、甲醛濃度進行實時監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)輸送至服務(wù)器后上傳至云端，用戶即可通過互聯(lián)網(wǎng)獲得房屋內(nèi)部相關(guān)信息。

5 結(jié) 語

本文采用STM32F103芯片作為核心處理器，外部連接各類傳感器，設(shè)計并實現(xiàn)了家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的硬件電路及軟件程序開發(fā)。該系統(tǒng)能夠自動檢測室內(nèi)一氧化碳、甲醛、PM2.5等有害物質(zhì)濃度及環(huán)境溫濕度，通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)上傳云端，易于監(jiān)控和管理。經(jīng)測試，系統(tǒng)可成功采集數(shù)據(jù)并上傳云端。本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，具有較好的移植性，便于進行功能擴展，具有較高的研究和應(yīng)用價值。

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