| 标题 | 基于STM32的室内空气质量检测系统设计 |
| 范文 | 汤祥虎 秦会斌 董胜奎 摘要：以STM32单片机为控制中心，运用多種传感器，设计了集室内空气质量检测、显示与报警功能的空气质量检测系统。该系统利用传感器对空气中的PM2.5、有害气体、空气温湿度等多种参数进行检测，通过WiFi模块将数据上传到手机等移动设备，空气质量达到警戒线时将触发系统报警。该系统可靠性高、成本低，检测方便快捷。 关键词：STM32；传感器；空气质量检测；WiFi DOIDOI：10.11907/rjdk.171587 中图分类号：TP319文献标识码：A文章编号：16727800（2017）010013203 0引言 随着经济的高速发展，环境污染问题也越来越严重，尤其是空气污染。2013年 “雾霾”成为年度关键词，更加引发了人们对空气质量的担忧。空气中的污染物主要包括可吸入颗粒、悬浮颗粒物、一氧化碳和二氧化硫等[1]。空气是人类生存的基础，空气质量影响人们的身体健康。空气污染会引发多种疾病，包括呼吸道疾病、慢性支气管炎和慢性肺病等[2]。人们大部分时间在室内，室内空气质量更让人关注，为此，设计了基于STM32的室内空气质量检测系统。系统以STM32为核心控制器，通过多个传感器模块对空气中的一些重要参数进行检测，并通过WiFi模块将检测到的数据上传到手机等移动设备上，人们可随时知晓室内空气质量情况。 1系统总体设计 系统集数据检测、显示与报警于一体，主要包括控制模块、WiFi模块、Android终端设备。 控制模块是整个系统的核心，包括STM32处理器、传感器、供电系统以及报警系统，主要工作是数据的采集，并为系统提供电源[3]。传感器获取空气质量的参数信息，STM32把获得的信息发送给WiFi模块。当参数超过一定值时，STM32控制报警系统报警。 WiFi模块的主要功能是负责无线终端设备接入和数据传输。 Android终端设备包括智能手机、平板电脑等智能终端，它的主要功能是显示室内空气参数，接收用户命令并发送到处理器。 2系统硬件设计 系统硬件设计如图1所示。 2.1控制芯片选择 主控芯片采用意法半导体的STM32F103C8T6，该器件拥有128K字节的闪存和20k字节的SRAM，2个12位的ADC，3个通用16位定时器，1个高级定时器，3个USART接口，1个USB接口，2个SPI接口和1个CAN总线接口。该芯片性价比、可靠性和稳定性高，程序易于移植。 STM32通过控制各种传感器，获得空气质量参数，并将数据发送给WiFi模块。 2.2灰尘传感器 灰尘传感器采用GP2Y1051AU0F[2]，该传感器原理如图2所示。 GP2Y1051AU0F传感器由发光二极管LED和光电子跃迁材料晶体管对角布置，能检测到空气中的灰尘散射光，特别是能有效检测非常细的粒子。该传感器会根据灰尘浓度的不同输出不同的电压值，通过得到的电压值转换为灰尘颗粒浓度。 GP2Y1051AU0F与主控芯片可采用AD采样和串口通信两种方式，本文选择串口进行通信。串口输出值即为灰尘浓度转换后的电压值。灰尘浓度与采集得到的电压值成线性关系，通过电压值很容易得到空气中的灰尘浓度，如图3所示。 2.3有害气体传感器 TGS2602传感器是检测有害气体的传感器，对低浓度有气味气体有很高的灵敏度，如氨气、硫化氢，对低浓度的VOCs（挥发性有机物）也有很高的灵敏度，如甲苯[4]。该传感器由传感芯片和加热器组成。检测气体时，传感器的电导率随空气中的被测气体浓度增加而增加。 TGS2602有加热电压VH和线路电压VC。加热电压加在与传感器集成的加热器上，以保持传感器在一个特定的最佳温度。线路电压用来与负载RL测量电压VOUT，VOUT值随空气中的有害气体浓度的变化而变化，这样得到空气中有害气体的浓度[5]。 2.4温湿度传感器 温湿度传感器DHT11是常用的一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器[6]。该传感器抗干扰能力强、校准精确，具有极高的可靠性和稳定性，电路如图5所示。DHT11采用简化的单总线通信，系统数据传输、控制均由单总线完成。 2.5WiFi模块 WiFi模块选取ATK-ESP8266。该模块是ALIENTEK推出的一款高性能串口-无线模块，采用串口与MCU通信，内置TCP/IP协议栈，能实现串口与WiFi之间的转换。该模块只需简单的串口配置就可传输数据。 3软件设计 3.1MCU控制程序设计 系统启动后，首先初始化。初始化寄存器、中断、定时器与各传感器。初始化后启动各个传感器进行检测，得到的数据发送给WiFi模块，WiFi模块将数据发送到手机等移动设备上。当检测到气体质量严重到一定程度时，触发报警模块报警。程序流程如图6左侧所示。 单片机还要接收移动客户端发来的查询和控制命令。这里通过中断完成，当WiFiI模块接收到来自移动端发来的命令后，通过串口发送到STM32，这时产生一个中断，在中断函数中完成命令，流程如图6右侧所示。 系统主函数部分程序如下： SysInit（）； while（1） { pm2_5=Get_Data_Pm25（）； povc=Get_Data_povc（）； If（Data_is_ok（pm2_5，povc）） Send_data（pm2_5，povc）； else Alert（pm2_5，povc）； Delay（）； } 在处理中断过程中，要用到嵌套向量中断控制器NVIC。在STM32系统中，抢占式优先级（NVIC_IRQChannelPreemptionPriority）和响应优先级（NVIC_IRQChannelSubPriority）共同构成了一个中断优先级。可通过嵌套中断向量控制器（NVIC）来分配先占优先级和次占优先级数量： NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure； NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0； NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0 通過上段代码就可将中断的抢占优先级和响应优先级都设置为0。 3.2Android客户端设计 手机客户端程序由登陆模块和通信模块组成。 在登陆模块中使用Android系统提供的SQLite数据库。Android提供了一个名为SQLiteDatabase的类，该类封装了一些操作数据库的API，使用该类可进行数据的添加（Create）、查询（Retrieve）、更新（Update）和删除（Delete）等操作。利用该数据库创建名为“user.db”的代码：openOrCreateDatabase（String path，SQLiteDatabae.CursorFactory factory）。其中path为存放数据库路径，第2项通常置为null。利用Android提供的API可对表和数据方便地操作。 在通信模块，为了实现数据传输，采用Socket通信，它是基于TCP/IP协议的网络通信协议。基于TCP/IP的Socket类型主要有流套接字和数据包套接字。流套接字提供了可靠的字节流服务，在通信之前要先建立连接，速度比较慢。数据报套接字使用UDP协议，面向无连接的数据传输，速度比较快。 客户端工作流程如图7所示。 客户端程序主要代码如下： socketAddress=new InetSocketAddress（strIP，SERVER_PORT）； socket = new Socket（）； socket.connect（socketAddress， SERVER_PORT）； inputStream = socket.getInputStream（）； outputStream = socket.getOutputStream（） 该程序创建套接字并连接服务器。其中，strIP是服务器的IP地址，SERVER_PORT是服务器的端口号，连接好后即可与服务器进行通信。 4实验结果 将测试系统放在室内，打开之后通过手机客户端固定间隔时间查看PM2.5浓度和POVC浓度，结果如图8和图9所示。 5结语 本文设计的室内空气质量检测系统能检测室内空气中PM2.5、有害气体浓度及室内温湿度，及时发送到Android客户端显示，并能对严重污染空气发出警报。系统可靠性高、成本低，能满足人们对空气质量检测的需要。 系统还有不足之处，如该系统只对空气质量起到检测作用，无法对室内空气作净化处理，这是需要改进的地方。 参考文献： ＼[1＼]许元，牛熠，肖达根.一种空气质量检测系统的设计与实现[J].电子技术与软件工程，2016（2）：7778. [2]刘少军，王瑜瑜.基于单片机控制的空气质量检测系统的设计[J].机械与电子，2015（1）：5356. [3]陈双叶，徐文政，丁双春，等.智能家居室内空气质量检测、评价与监控系统设计[J].信息通信技术，2016（3）：4956. [4]袁绪，宋康，查长海，等.基于STC12C5A60S2的空气质量检测系统设计[J].电子设计工程，2015（6）：132135. [5]文晓刚，刘锐，蔡强，等.一种可同时检测挥发性氯代烷烃和氯代烯烃的电子鼻的研制[J].环境科学，2012（11）：40124017. [6]韩丹翱，王菲.DHT11数字式温湿度传感器的应用性研究[J].电子设计工程，2013（13）：8385. 责任编辑（责任编辑：杜能钢） |
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