基于ARM智能空气检测与净化器的设计
何伟刚+李政林+章帆
摘 要： 为了满足人们对室内空气质量的需求，设计一种智能空气检测与净化器。该装置以STM32F103RCT6单片机为核心控制器，采用PM2.5传感器、温湿度传感器、甲醛传感器、有害气体传感器等对空气进行检测，通过等离子和负离子发生器产生大量的等负离子，利用等负离子的吸附和中和反应达到除尘、杀菌等作用，使空气得到净化。该装置通过WiFi连接入互联网，使用手机APP实现设备的数据查看和控制。实验表明，该设计具有功能化，智能化，能够实现远程查看数据以及控制设备的能力。
关键词： 空气净化； 智能监测； 净化器； 互联网
中图分类号： TN911?34； TN722 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）12?0090?03
Abstract： In order to satisfy the demand for indoor air quality， an intelligent air detection and purification device was designed. The STM32F103RCT6 is taken as the core controller of the device， the PM2.5 sensor， temperature?humidity sensor， formaldehyde sensor and harmful gas sensor are used in the device to detect the air， and a mass of plasma?anions are generated through plasma and anion generators. The adsorption and neutralization reactions of plasma?anions are adopted to eliminate the dust， perform the sterilization to purify the air. The device is connected into Internet through WiFi， which can check and control its data by means of APP embedded in mobile phone. The device is a functional and intelligent one， and can check the data and control the appliance remotely.
Keywords： air purification； intelligent monitoring； purification device； Internet
空气是人赖以生存的物质基础，它和人们的身心健康具有十分密切的关联。近年来，我国的经济迅速发展，人们的生活水平也得到了很大的改善和提高，但是不断出现了环境污染问题，特别是愈演愈烈的雾霾问题。同时，室内空气的污染问题也不容乐观。
工作或居住环境相对封闭化，再加上室内装修材料造成的室内环境污染。更容易对人们健康的造成影响。当代人的工作，生活娱乐的大部分时间都是在室内进行[1?4]，可想而知，室内环境质量对人体健康有着直接的影响。针对室内空气质量的现状，本设计旨在设计一种能够对室内环境中的温度、湿度、PM2.5以及甲醛、苯、硫化物、煙雾等有害气体进行实时监测，并能够有效净化空气的智能系统。同时，通过物联网技术，使该系统通过WiFi接入互联网，制作手机APP实现设备的数据查看和控制。
1 系统设计
1.1 系统整体框架设计
本系统由空气检测、空气净化及物联网查看控制三大部分组成，如图1所示。空气检测部分主要通过多种传感器，细致地检测当前室内的空气质量以及污染物的情况，并经单片机进行处理；同时，当计算得到的空气质量超过标准值，系统会启动空气净化装置，对污染的空气进行净化，同时可以在人机交互界面上显示警报信息，并通过蜂鸣器进行声音报警提示，而且通过系统的人机交互界面，可以进行查看系统记录的数据或者操作净化器等功能。同时，该设备具备物联网功能，系统通过WiFi模块链接上路由器把数据上传的互联网平台。
1.2 硬件整体设计
本系统主控模块主要使用STM32F103RCT6芯片，传感器部分主要由光照度传感器、PM2.5传感器、温湿度传感器、有害气体传感器、甲醛传感器组成，如图2所示，用于检测空气参数。空气净化部分主要由风扇、等离子发生器和负离子发生器组成。电源部分是12 V的锂电池，可以通过平衡充模块对其充电；SD卡部分主要用于保存数据，人机交互界面通过TFT触摸屏；WiFi接口电路用于放置WiFi模块，设备通过WiFi模块连接入互联网，实现联网控制和查看数据；蜂鸣器主要用于发出声音提示。
系统使用ST公司的32位ARM芯片STM32F103RCT6作为系统的核心，其集成了高性能的ARM Cortex?M3架构的32位RISC内核，能够处理各种复杂的数据运算及任务[5?6]。它已被开发，以提供一种低成本平台满足MCU的需求实施方式中，具有较低的管脚数和低功率消耗，还有非常好的数据处理能力以及中断响应机制。
空气净化部分主要采用目前比较推崇的等离子和负离子技术，这种技术相对安全、有效。空气净化模块采用KJF04 DC 12 V等离子发生器，主要工作原理是将输入的12 V直流电压通过升压电路升至正负高压，此时正负高压电会离空气产生大量正负离子，周围空气中的细菌等会因为正负电荷中和反应所释放的大量能量死亡，从而具有杀菌的作用[7]。等离子发生器产生的负离子对空气有清新作用。
2 软件整体设计
系统上电后会开始进行系统变量初始化。这个阶段系统会初始化所有全局变量、数据结构、创建最低优先级空闲任务，创建6个空数据链表：空任务控制块链表、空队列控制块链表、空事件控制块链表、空标志组链表、空内存控制块链表、空闲定时器控制块链表。初始化完系统变量后，先创建开始任务，由开始任务创建读取传感器任务、按键任务、主任务、LED任务、蜂鸣器任务、WiFi物联任务。创建完后便开始挂起开始任务，然后初始化硬件，并开中断[8]。多任务管理器接下来会根据任务的优先级在就绪表中查找优先级最高的，并操作资源切换到该任务执行，μC/OS?Ⅱ系统通过定时中断的方式实现实时性见图3。每个时钟节拍到来，就会进入一次定时中断[8]。中断后检测是否有重要任务需要运行并进行任务切换，运行新的任务或者继续运行本任务，确保实时性。
机智云是通过WiFi模块与MCU以串口通信来实现的，所以要在MCU端根据编写串口事件来解析接收的数据包以及发送数据到机智云[9]如图4所示。
按照通信协议，发送的数据也有按照协议封装在数据帧里，以便WiFi端或机智云端识别。数据区的只读数据，包含了系统检测空气质量的参数，用结构体封装起来，方便管理。根据设备需求，首先需要注册、登录、找回密码、修改密码、设备查找、配置设备、设备登录以及设备数据显示控制等功能如图5所示。机智云的API提供有匿名、手机号码、邮箱三种注册方式，该系统的APP设计为邮箱注册[10]。
3 系统测试
进行软件仿真可以很方便对程序进行调试，里面的断点执行以及单步执行可以很容易检测某一个函数的功能见图6。通过板子的SW接口，然后配置好仿真参数，点击进入仿真按钮，程序自动下载。之后就可以进行各项仿真测试了。
空气检测部分主要测量空气的温湿度、PM2.5、光照度、有害气体、甲醛，所以对相关传感器的灵敏度、准确度进行了测试。测试时，先在TFT交互界面的功能菜单图标里，选择传感器数据图标，进入传感器数据显示界面，该界面可以看到系统所有传感器的数据；然后就是对每个参数进行测试，为了测试净化效果及效率，将两个净化模块放入透明封闭亚克力板箱子里，箱子除了顶盖其他面全部封闭，在箱子的底部放上一张彩色的纸张。当烟雾充满箱子，从顶部看不到底部的彩色纸张时，合好顶盖，防止烟雾漏出。接下来给两个模块接上12 V的直流电源，测试从上电到箱子顶部清新看到底部的彩色纸张所需要的时间如表1所示。
经过系列的测试，从测试的数据可以知道系统运行稳定，净化空气的效果良好，对空气污染物的检测非常及时，对于检测到有害气体能及时发出报警，且体积小，也方便人们携带到其他空间使用。
4 结 语
本设计的设备能够实时检测空气污染物和净化空气，通过人性化的TFT交互界面可以进行数据显示、查看日志、控制净化器开关、设置系统工作模式等，让人们可以了解自己工作生活的空气环境质量，同时能够通过该设备有效净化空气，改善生活空气品质。该设计结合物联网技术，让人们可以通过手机APP就很方便地查看设备所在的室内的空气参数以及控制设备，让人们得到智能化、人性化、方便快捷的服务。
参考文献
[1] 袁鹰，刘明源.浅议空气质量指数（AQI）与空气污染指数（API）的差异[J].广州化工，2014（12）：164?166.
[2] 侯洪刚.室内空气污染对人类健康的影响及防治措施[J].环境与发展，2014（3）：151?152.
[3] 李伦.室内空气污染现状分析与对策思考[J].中国建材科技，2008（1）：50?51.
[4] 杨猛.室内装饰材料污染的防治措施[J].河南广播电视大学学报，2010（4）：110.
[5] 雷国建，刘登科，石启亮.基于LabVIEW的远程温度检测控制系统设计与实现[J].现代电子技术，2012，35（19）：111?113.
[6] 王任，刘劲峰，于哲.蓝牙技术的应用[J].信息技术，2002（7）：47?48.
[7] 阮翔.基于单片机的温度控制系统的研究[J].信息系统工程，2015（5）：15.
[8] 陈鑫，秦宏伟，陈春雨，等.基于Cortex?M3内核的STM32微控制器研究与电路设计[J].大庆师范学院学报，2013（6）：44?47.
[9] 王啸，梅嘉伦，陈悦.μC/OS?Ⅲ实时内核在F28M35x器件上的移植[J].现代电子技术，2015，38（21）：159?161.
[10] 何定华.基于第三方控件的Android数据库APP的设计与开发[J].科技创新与应用，2015（19）：41.
摘 要： 为了满足人们对室内空气质量的需求，设计一种智能空气检测与净化器。该装置以STM32F103RCT6单片机为核心控制器，采用PM2.5传感器、温湿度传感器、甲醛传感器、有害气体传感器等对空气进行检测，通过等离子和负离子发生器产生大量的等负离子，利用等负离子的吸附和中和反应达到除尘、杀菌等作用，使空气得到净化。该装置通过WiFi连接入互联网，使用手机APP实现设备的数据查看和控制。实验表明，该设计具有功能化，智能化，能够实现远程查看数据以及控制设备的能力。
关键词： 空气净化； 智能监测； 净化器； 互联网
中图分类号： TN911?34； TN722 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）12?0090?03
Abstract： In order to satisfy the demand for indoor air quality， an intelligent air detection and purification device was designed. The STM32F103RCT6 is taken as the core controller of the device， the PM2.5 sensor， temperature?humidity sensor， formaldehyde sensor and harmful gas sensor are used in the device to detect the air， and a mass of plasma?anions are generated through plasma and anion generators. The adsorption and neutralization reactions of plasma?anions are adopted to eliminate the dust， perform the sterilization to purify the air. The device is connected into Internet through WiFi， which can check and control its data by means of APP embedded in mobile phone. The device is a functional and intelligent one， and can check the data and control the appliance remotely.
Keywords： air purification； intelligent monitoring； purification device； Internet
空气是人赖以生存的物质基础，它和人们的身心健康具有十分密切的关联。近年来，我国的经济迅速发展，人们的生活水平也得到了很大的改善和提高，但是不断出现了环境污染问题，特别是愈演愈烈的雾霾问题。同时，室内空气的污染问题也不容乐观。
工作或居住环境相对封闭化，再加上室内装修材料造成的室内环境污染。更容易对人们健康的造成影响。当代人的工作，生活娱乐的大部分时间都是在室内进行[1?4]，可想而知，室内环境质量对人体健康有着直接的影响。针对室内空气质量的现状，本设计旨在设计一种能够对室内环境中的温度、湿度、PM2.5以及甲醛、苯、硫化物、煙雾等有害气体进行实时监测，并能够有效净化空气的智能系统。同时，通过物联网技术，使该系统通过WiFi接入互联网，制作手机APP实现设备的数据查看和控制。
1 系统设计
1.1 系统整体框架设计
本系统由空气检测、空气净化及物联网查看控制三大部分组成，如图1所示。空气检测部分主要通过多种传感器，细致地检测当前室内的空气质量以及污染物的情况，并经单片机进行处理；同时，当计算得到的空气质量超过标准值，系统会启动空气净化装置，对污染的空气进行净化，同时可以在人机交互界面上显示警报信息，并通过蜂鸣器进行声音报警提示，而且通过系统的人机交互界面，可以进行查看系统记录的数据或者操作净化器等功能。同时，该设备具备物联网功能，系统通过WiFi模块链接上路由器把数据上传的互联网平台。
1.2 硬件整体设计
本系统主控模块主要使用STM32F103RCT6芯片，传感器部分主要由光照度传感器、PM2.5传感器、温湿度传感器、有害气体传感器、甲醛传感器组成，如图2所示，用于检测空气参数。空气净化部分主要由风扇、等离子发生器和负离子发生器组成。电源部分是12 V的锂电池，可以通过平衡充模块对其充电；SD卡部分主要用于保存数据，人机交互界面通过TFT触摸屏；WiFi接口电路用于放置WiFi模块，设备通过WiFi模块连接入互联网，实现联网控制和查看数据；蜂鸣器主要用于发出声音提示。
系统使用ST公司的32位ARM芯片STM32F103RCT6作为系统的核心，其集成了高性能的ARM Cortex?M3架构的32位RISC内核，能够处理各种复杂的数据运算及任务[5?6]。它已被开发，以提供一种低成本平台满足MCU的需求实施方式中，具有较低的管脚数和低功率消耗，还有非常好的数据处理能力以及中断响应机制。
空气净化部分主要采用目前比较推崇的等离子和负离子技术，这种技术相对安全、有效。空气净化模块采用KJF04 DC 12 V等离子发生器，主要工作原理是将输入的12 V直流电压通过升压电路升至正负高压，此时正负高压电会离空气产生大量正负离子，周围空气中的细菌等会因为正负电荷中和反应所释放的大量能量死亡，从而具有杀菌的作用[7]。等离子发生器产生的负离子对空气有清新作用。
2 软件整体设计
系统上电后会开始进行系统变量初始化。这个阶段系统会初始化所有全局变量、数据结构、创建最低优先级空闲任务，创建6个空数据链表：空任务控制块链表、空队列控制块链表、空事件控制块链表、空标志组链表、空内存控制块链表、空闲定时器控制块链表。初始化完系统变量后，先创建开始任务，由开始任务创建读取传感器任务、按键任务、主任务、LED任务、蜂鸣器任务、WiFi物联任务。创建完后便开始挂起开始任务，然后初始化硬件，并开中断[8]。多任务管理器接下来会根据任务的优先级在就绪表中查找优先级最高的，并操作资源切换到该任务执行，μC/OS?Ⅱ系统通过定时中断的方式实现实时性见图3。每个时钟节拍到来，就会进入一次定时中断[8]。中断后检测是否有重要任务需要运行并进行任务切换，运行新的任务或者继续运行本任务，确保实时性。
机智云是通过WiFi模块与MCU以串口通信来实现的，所以要在MCU端根据编写串口事件来解析接收的数据包以及发送数据到机智云[9]如图4所示。
按照通信协议，发送的数据也有按照协议封装在数据帧里，以便WiFi端或机智云端识别。数据区的只读数据，包含了系统检测空气质量的参数，用结构体封装起来，方便管理。根据设备需求，首先需要注册、登录、找回密码、修改密码、设备查找、配置设备、设备登录以及设备数据显示控制等功能如图5所示。机智云的API提供有匿名、手机号码、邮箱三种注册方式，该系统的APP设计为邮箱注册[10]。
3 系统测试
进行软件仿真可以很方便对程序进行调试，里面的断点执行以及单步执行可以很容易检测某一个函数的功能见图6。通过板子的SW接口，然后配置好仿真参数，点击进入仿真按钮，程序自动下载。之后就可以进行各项仿真测试了。
空气检测部分主要测量空气的温湿度、PM2.5、光照度、有害气体、甲醛，所以对相关传感器的灵敏度、准确度进行了测试。测试时，先在TFT交互界面的功能菜单图标里，选择传感器数据图标，进入传感器数据显示界面，该界面可以看到系统所有传感器的数据；然后就是对每个参数进行测试，为了测试净化效果及效率，将两个净化模块放入透明封闭亚克力板箱子里，箱子除了顶盖其他面全部封闭，在箱子的底部放上一张彩色的纸张。当烟雾充满箱子，从顶部看不到底部的彩色纸张时，合好顶盖，防止烟雾漏出。接下来给两个模块接上12 V的直流电源，测试从上电到箱子顶部清新看到底部的彩色纸张所需要的时间如表1所示。
经过系列的测试，从测试的数据可以知道系统运行稳定，净化空气的效果良好，对空气污染物的检测非常及时，对于检测到有害气体能及时发出报警，且体积小，也方便人们携带到其他空间使用。
4 结 语
本设计的设备能够实时检测空气污染物和净化空气，通过人性化的TFT交互界面可以进行数据显示、查看日志、控制净化器开关、设置系统工作模式等，让人们可以了解自己工作生活的空气环境质量，同时能够通过该设备有效净化空气，改善生活空气品质。该设计结合物联网技术，让人们可以通过手机APP就很方便地查看设备所在的室内的空气参数以及控制设备，让人们得到智能化、人性化、方便快捷的服务。
参考文献
[1] 袁鹰，刘明源.浅议空气质量指数（AQI）与空气污染指数（API）的差异[J].广州化工，2014（12）：164?166.
[2] 侯洪刚.室内空气污染对人类健康的影响及防治措施[J].环境与发展，2014（3）：151?152.
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[4] 杨猛.室内装饰材料污染的防治措施[J].河南广播电视大学学报，2010（4）：110.
[5] 雷国建，刘登科，石启亮.基于LabVIEW的远程温度检测控制系统设计与实现[J].现代电子技术，2012，35（19）：111?113.
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[8] 陈鑫，秦宏伟，陈春雨，等.基于Cortex?M3内核的STM32微控制器研究与电路设计[J].大庆师范学院学报，2013（6）：44?47.
[9] 王啸，梅嘉伦，陈悦.μC/OS?Ⅲ实时内核在F28M35x器件上的移植[J].现代电子技术，2015，38（21）：159?161.
[10] 何定华.基于第三方控件的Android数据库APP的设计与开发[J].科技创新与应用，2015（19）：41.
