萬麗娟，劉 穎，李 沖，張忠祥

(合肥師范學院 電子信息工程學院， 安徽 合肥 230061)

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基于STM32的室內空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)設計

萬麗娟，劉 穎，李 沖，張忠祥

(合肥師范學院 電子信息工程學院， 安徽 合肥 230061)

為了實時獲取室內空氣質量信息，系統(tǒng)集成多種傳感器進行實時監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡發(fā)送至ARM微處理器。數(shù)據(jù)通過服務器發(fā)送至用戶終端APP，用戶通過屏幕獲取實時空氣質量信息，提高了系統(tǒng)的實用性。通過多地、多次和多項指標的室內空氣測量，證實該系統(tǒng)具有獲取數(shù)據(jù)快速、測量準確、性能穩(wěn)定可靠等特點，具有一定的使用和推廣價值。

STM32；溫濕度；PM2.5；甲醛濃度；APP終端顯示

空氣質量與健康密切相關。近年來，各大城市的霧霾天氣嚴重影響到人們的生活，室外空氣質量的下降更是讓人們不得不重視對室內空氣質量的監(jiān)測。目前市場上的空氣質量監(jiān)測產(chǎn)品以針對單一參數(shù)指標的研究居多，例如溫度、濕度、甲醛等的監(jiān)測；[1-4]另外，對其中一至兩種指標集成進行研究也有報道，但是它們存在實用性不高且測量不準等缺陷。本文設計了一種基于STM32微處理器的室內空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)，通過集成多種傳感器，通過無線模塊實時傳送數(shù)據(jù)至ARM微處理器處理，數(shù)據(jù)傳送模塊能夠將現(xiàn)場TFT屏實時顯示數(shù)據(jù)發(fā)送至用戶終端APP，能同時實現(xiàn)多項空氣質量指標的實時監(jiān)測。

1 系統(tǒng)的結構框圖

系統(tǒng)主要由采樣模塊、ARM微處理器、無線傳輸模塊、TFT顯示模塊組成，如圖1所示。系統(tǒng)選用ST公司STM32的增強型系列STM32F103ZET6做處理器，該系列最高工作頻率可達72MHZ，能實現(xiàn)高速運算。[5]ARM微控制器是系統(tǒng)的核心部件，它控制著整個系統(tǒng)的工作流程。首先，STM32微處理器向采樣模塊發(fā)出信號，采樣模塊進行數(shù)據(jù)采集，所采集的數(shù)據(jù)由微處理器進行處理，然后實現(xiàn)(1)TFT液晶模塊現(xiàn)場顯示；(2)由無線模塊通過WIFI網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)發(fā)送至用戶終端APP；(3)系統(tǒng)監(jiān)測到某一指標超標將自動報警。

圖1 系統(tǒng)結構框圖

2 系統(tǒng)功能的設計和實現(xiàn)

2.1 采樣模塊

采樣模塊集成溫濕度傳感器、灰塵傳感器、甲醛傳感器三種傳感器，由各傳感器采集信號并轉變?yōu)殡娦盘柊l(fā)送至STM32微處理器。系統(tǒng)采用AM2320溫濕度復合型傳感器，該傳感器采用專用的數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，內含一個電容式感濕元件和一個高精度集成測溫元件，并與高性能的8位單片機相連，因此AM2302溫濕度傳感器具有超快響應、可靠性、穩(wěn)定性和很強的抗干擾性能。小型電化學甲醛模組 ZE08-CH2O利用電化學原理對空氣中存在的CH2O進行探測，具有良好的選擇性、穩(wěn)定性。該模塊內置溫度傳感器，可進行溫度補償，同時具有數(shù)字電壓(串行輸出)與模擬輸出。[3]激光PM2.5傳感器PMS1003采用光電元件作為檢測元件把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號，根據(jù)電信號的變化就可以間接得到被測量的大小。[4]該傳感器響應時間短，可測量范圍廣，計數(shù)效率高，受溫濕度等環(huán)境條件影響較小，所采集數(shù)據(jù)可通過UART輸出至STM32微處理器。各傳感器模塊所采集到的原始數(shù)據(jù)由STM32微處理器通過NRF24L01發(fā)送至中控模塊。系統(tǒng)采樣模塊如圖1所示，圖1a為PM2.5灰塵檢測模塊，圖1b為溫濕度傳感器與甲醛檢測傳感器，皆放置于系統(tǒng)主控板背面。

圖1a PM2.5灰塵檢測模塊

圖1b 溫濕度傳感器、甲醛檢測傳感器

2.2 中控模塊

中控模塊是整個系統(tǒng)的核心，內置NRF24L01無線模塊、WIFI模塊、蜂鳴器、TFT顯示模塊。由NRF24L01無線模塊接收來自采樣模塊的數(shù)據(jù)，STM32微處理器將對數(shù)據(jù)進行處理。STM32微處理器分別將溫濕度兩個寄存器的高八位數(shù)據(jù)和低八位數(shù)據(jù)進行合并，得到有效的溫濕度數(shù)字信息。PM2.5傳感器和甲醛傳感器的輸出數(shù)據(jù)有固定格式，通過解析和對比固定格式的數(shù)據(jù)可提取有效的數(shù)字信息。

人體正常體溫穩(wěn)定在36.5-37℃，當氣溫為28℃時，人體處于熱平衡狀態(tài)，皮膚溫度為34℃，感覺最為舒適。[6]調查顯示環(huán)境濕度為40%-60%時人體感覺較為舒適。PM2.5中細小的顆粒物攜帶著潛在的過敏源，很容易深入到肺部呼吸樹里面，更易引起呼吸疾病,及時檢測家中顆粒懸浮物很有意義。[7]參照國家的《環(huán)境空氣質量標準》，PM2.5在24小時內的二級濃度限值的平均濃度最高值為75ug/m3。[8]中華人民共和國國家標準《居室空氣中甲醛的衛(wèi)生標準》規(guī)定：居室空氣中甲醛的最高容許濃度為0.08 mg/m3。[9]如果系統(tǒng)檢測到室內空氣中甲醛含量或顆粒物含量超過預設標準，將會通過蜂鳴器、顯示屏、APP推送消息等多種方式告知用戶。

2.3 數(shù)據(jù)傳送模塊

本系統(tǒng)選用NORDIC公司的融合了高速、低功耗、低成本的2Mb/s工業(yè)級嵌入式2.4GHz無線收發(fā)芯片NRF24L01。[10]該芯片具有增強型的ShockBurst功能，集成了雙向通信所需要的鏈路層，通常需要一個高速的MCU和較大的RAM。[11]系統(tǒng)選用一款低成本W(wǎng)IFI-MCU，型號為ESP8266-14的通訊/控制模塊，該模塊內置有STM8003單片機和WIFI通訊IC，體積小巧且信號穩(wěn)定，通過AT指令進行控制，[12]具有透傳和AP基站等功能。系統(tǒng)在采集、處理數(shù)據(jù)后通過ESP8266無線傳輸將數(shù)據(jù)傳送至外網(wǎng)的TCP服務器，手機或PC端通過TCP服務器接收數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

系統(tǒng)采用無線傳送方式，包括(1)采樣模塊使用NRF24L01向中控模塊傳送原始的數(shù)據(jù)；(2)中控模塊通過WIFI網(wǎng)絡將實時空氣質量信息傳送至終端。

2.3.1 現(xiàn)場顯示

TFT液晶屏是一類有源矩陣液晶顯示設備，每個液晶像素點都是由集成在像素點后面的薄膜晶體管來驅動，從而可以達到高速度、高亮度、高對比度顯示屏幕信息。微控制器STM32F103ZET6的可用引腳豐富，基本實現(xiàn)IO資源的合理利用并確保顯示刷新速度。系統(tǒng)選用TFT液晶屏作為現(xiàn)場顯示器件，通過并行信號線傳輸、顯示數(shù)據(jù)，系統(tǒng)主控界面如圖2所示。在系統(tǒng)主控界面的左側為STM32F103ZET6核心板，右側放置WIFI模塊，中間為TFT現(xiàn)場顯示模塊。用戶設置待機時間后現(xiàn)場顯示模塊可自動進入待機狀態(tài)。

圖2 主控界面

2.3.2 無線終端顯示

現(xiàn)場顯示受到了空間限制，為方便用戶使用，系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)由WIFI網(wǎng)絡發(fā)送至APP終端。中控模塊中WIFI模塊通過服務器將數(shù)據(jù)發(fā)送至APP終端，實現(xiàn)遠程實時監(jiān)測。終端APP界面如圖3所示，界面中有終端APP所連接的服務器IP地址和端口信息、終端收到的數(shù)據(jù)信息和工具欄。

圖3 終端APP界面

3 軟件流程設計

3.1 系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)涉及多個傳感器模塊與數(shù)據(jù)傳輸模塊，對實時性、可靠性要求較高，因此在可靠的硬件基礎上需要完整合理的軟件算法流程，流程圖如圖4所示。

圖4 軟件流程圖

3.2 終端數(shù)據(jù)處理

由傳感器采集的數(shù)據(jù)在終端處理器中進行數(shù)據(jù)包的解析，PM2.5傳感器包協(xié)議第一位和第二位固定為0x42、0x4D，甲醛傳感器包協(xié)議首位固定為0xFF，在固定位后的固定位置即為要采集的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)采集完成并校驗成功后可進行下一步處理?？諝赓|量指數(shù)(Air Quality Index，簡稱AQI)是定量描述空氣質量狀況的無量綱指數(shù)。根據(jù)《中華人民共和國國家環(huán)境保護標準》(HJ663-2012)關于AQI的規(guī)定編寫計算AQI的程序，本系統(tǒng)AQI僅與PM2.5有關。

4 實驗結果

用購買的溫濕度計成品與本系統(tǒng)多次在校園內不同地點同時測量，所得數(shù)據(jù)如表1，表中“測量值”為系統(tǒng)測量值，“實測值”為溫濕度計測量值與天氣網(wǎng)實時監(jiān)測的PM2.5值。考慮到成品溫濕度計有一定的誤差，在室外進行了多次測量、記錄得表2數(shù)據(jù)。表1、表2為隨機選取的兩次測量數(shù)值。

分析多次測量數(shù)據(jù)，同一時間段內在不同室內環(huán)境下的溫濕度測量值有一定差異，但同一時刻同一環(huán)境下系統(tǒng)測量值與成品溫濕度計所測溫度值相近，濕度值誤差約為5-8%RH。PM2.5值在相對封閉的室內比較穩(wěn)定，實訓基地由于人多物雜而導致PM2.5值略高，男生寢室靠近學校操場和小樹林，因此PM2.5值為同時間段內最高。在剛裝修或木質用品較多的室內如男生寢室和藝術樓，甲醛含量略高，但都在國家標準容許范圍內。

對比分析表2中室外實時天氣預報值與系統(tǒng)測量值，系統(tǒng)在室外測量的溫度值與天氣預報值略有誤差，濕度值基本相同。同一時間段內在室外測量的PM2.5值與網(wǎng)絡播報值相近。通風良好的室外甲醛值低于室內環(huán)境，因此相對封閉的室內環(huán)境需要多通風。

實驗結果顯示，該系統(tǒng)監(jiān)測狀態(tài)趨于穩(wěn)定，監(jiān)測數(shù)據(jù)較準確。

5 結論

本文設計了一種室內空氣質量實時監(jiān)測系統(tǒng)，通過對空氣中的溫濕度、PM2.5和甲醛的實時監(jiān)測結果分析，表明該系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)快速、準確、穩(wěn)定、可靠，且具有人機界面友好等特點，具有非常好的使用價值和推廣價值。

表1 系統(tǒng)測量值與實測值對比表

表2 系統(tǒng)測量值與天氣預報值對比表(室外)

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Design of the Indoor Air Quality Monitoring System Based on STM32

WAN Lijuan, LIU Ying, LI Chong, ZHONG Zhongxiang

(SchoolofElectronicsandInformationEngineering,HefeiNormalUniversity,Hefei230601,China)

In order to obtain real-time information of indoor air quality, the system consisted of the integration of multiple sensors sent monitoring data to the ARM microprocessor via wireless network. When data were sent to the user of the terminal APP by the server, users can get real-time air quality information only through the screen, which improves the practicability of the system. Through multiple places, many times, and a number of indicators of the indoor air measurement, it is proved that the system has many advantages, such as getting data rapid, accurate measurement and reliable performance etc., and has a certain use and popularization value.

STM32; temperature and humidity; PM2.5; formaldehyde concentration; APP terminal display

2017-02-18

該研究獲“2014年省教育廳重點項目(KJ2014A204) ”、“2011年院級基地項目(2011jd08)”和“2011年院級人才科研啟動基金(2011rcjj02)”支持。

萬麗娟(1980-)，女，合肥師范學院，博士，主要從事微納電子器件的研究。

TN925

A

1674-2273(2017)03-0015-04