基于物联网的空气净化系统的软件设计

张 启 陆兴华 张传金

（广东工业大学 华立学院，广东 增城511300）

0 概述

本软件系统的核心是微控制器 （STM32F103R—ARM-based 32-bit MCU），本论文以该微控制器为中心单元，而电源控制模块、电机控制模块、紫外灯控制模块、LED 显示模块、负离子控制模块、触摸按键模块以及空气质量检测传感器模块和WIFI 模块组成的空气净化系统的运行将全部以该微控制器为核心，因此构成了智能可远程控制的空气净化系统。本论文针对空气净化器控制系统的研究采用了多传感器数据采集模块的集成，实现了空气净化器的数据采集和工作状态的自动调整等功能；同时，研究集成了将无线通信模块WIFI 模块与空气净化器结合，实现了空气净化器的远程控制和物联网化，实现了真正的无线互联。

1 总体设计

1）本论文所研究的空气净化器控制系统的软件程序主要包括了系统初始化程序、电机控制程序、紫外灯和负离子控制程序、LED 显示和触摸按键控制程序、 传感器数据采集程序和无线WIFI 通信程序等各功能模块的程序设计。针对本设计采用的STM32F103R 微控制器的实现包括了中断、查询、A/D 转换、GPIO、SDIO、UART 等功能。

2）根据控制系统的功能需求分析，本文描述的空气净化器对于软件程序的需求可分为以下几个部分：系统初始化程序、电机驱动程序、紫外灯和负离子控制程序、LED 显示和触摸按键程序、 传感器数据采集程序、无线WIFI 通信程序设计。

其中，紫外灯、负离子、LED 显示为微控制器的控制程序，电机、WIFI 模块为微控制器的驱动程序； 传感器数据采集和触摸按键为微控制器的参数输入程序。 各个部分都是紧密相关，每个功能模块对于程序的整体设计都是非常重要的，都是通过STM32F103R 微控制器程序，才能使得空气净化器控制系统运行起来。

根据程序总体设计， 各模块处理子程序依赖于主程序的调度，共同完成控制系统的功能。 系统根据功能需要，在初始打开空气净化器电源时，直流电机、紫外灯、负离子、传感器、WIFI 模块等均不工作，只有当电源按键或者无线WIFI 模块通过远程打开电源开关时， 空气净化器控制系统才启动工作。

2 系统初始化程序设计

系统初始化程序主要针对本系统的系统参数进行初始化，包含了STM32F103R 微控制器的初始化程序、I/O 口的配置、 程序各参数、变量、标志位的设定、系统默认运行参数的设定、默认显示程序运行等。默然上电后系统初始化过程中，空气净化器的电机、紫外灯、负离子等负载并不工作，设备的LED 显示模块显示默认的参数和配置。

3 空气净化系统的各个模块的软件设计

3.1 电机驱动程序设计

本论文研究中使用的是无刷直流电机，电机的驱动是利用微控制器输出PWM 调压来实现电机的速度变化。 在电机的运行过程中，需要根据空气净化器的工作状态来调整电机的转动速度。

3.2 紫外灯和负离子控制程序设计

紫外灯管的驱动是利用低电平导通信号的输出来实现的，输出驱动信号的引脚为PB4；负离子发生器的驱动同样是利用低电平导通信号的输出来实现的，输出驱动信号的引脚为PB4。

3.3 LED 显示和触摸按键控制程序设计

本文描述的空气净化器显示模块的显示内容主要有：定时时间指示、灯光指示、工作模式指示、空气质量指示、杀菌等指示、PM 指示等数据。 主要来自按键的更改和数据采集对于的数据变化。

按键的控制程序主要是进行外部中断的处理过程，空气净化器控制系统的按键主要有六个，包括了电源开关Kl、工作模式选择K2、负离子/紫外灯键K3、定时设置K4、电机风速调节键K5 以及空气质量指示灯光键K6。 同时按住定时键和电机风速键启到过滤网的状态复位功能，按键的程序设计主要是通过中断来实现的，当发生按键操作的时候，单片机引脚将根据信号进行程序处理。 程序对于按键的触发信号判断为串行流程，依次判断每个按键的操作指令，执行相应的子程序。

3.4 传感器数据采集程序设计

根据电路原理图和实际工作过程，设计出空气质量传感器和粉尘传感器的数据采集程序，系统启动后，控制信号中断程序开始工作，并且ADC 使能打开，检测系统开始工作。 由传感器特性分析可知，传感器在数据采集过程中，在控制信号作用下开始采集数据，实时检测室内空气污染状况。 为了得到实用数据，需要对室内空气质量进行大量测试和实验，最后得出想要的数据结果。

3.5 无线WIFI 通信程序设计

根据实际应用， 无线WIFI 通信部分需要将当前空气净化器的状态值（空气质量、工作模式、风速、PM 指数、定时状态等等）传输到服务器端，并且能够将服务器端发送来的控制命令成功接收，以实现能够远程控制空气净化器的工作状态，系统启动后，首先对WIFI 模块进行初始化，包括SDIO 设备枚举，加载设备固件等操作，然后扫描WIFI网络，扫描结束后，根据配置的WIFI 账号和密码进行关联网络，关联成功后进行IP、子网掩码、网关等的设置，接着就是建立TCP SOCKET的客户端，具体工作有绑定本地及服务端的IP 和端口。 最后就是从服务端接收数据，判断是否为获取设备状态或者控制设备的命令，进行相应的操作。

4 结束语

本论文主要研究和探讨了室内空气净化系统的软件设计，而本文对物联网空气净化器控制系统的研究还是一个开始，结合目前新技术的发展，需要深入研究的方向还有很多，而本文所说明的空气净化系统的软件设计，还存在很多的不足，还有者许许多多可以改进的地方，这都将随着我们对未来空气净化器一步一步的深入研究，不断地改造创新与发展，以后一定会使其在该领域越来越完善，而技术也一定会越来越成熟。

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