基于STM32的智能室内空气质量监测系统设计

曹督尊 刘国彦 赵金才 甘敏 汪禹

摘 要

室内空气质量监测系统是智能家居不可缺少的组成部分。为了实现实时监测室内空气质量，本文介绍了一种基于STM32作为核心处理器的系统设计，该系统采用多种传感器，能够多点、实时采集室内温度、湿度、粉尘密度、VOC（挥发性有机化合物）等有害气体浓度等数据信息，通过Wi-Fi无线模块，将室内空气数据信息稳定地传输到电脑或者手机等客户端。

关键词

STM32;室内空气数据信息;VOC有害气体浓度

中图分类号： TP274                     文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.16.010

Abstract

Indoor-air-quality monitoring system is one of the indispensable parts of smart home.In order to achieve real-time monitoring of indoor air quality， this article introduces a system design based on STM32.The system uses STM32 as the core processor with multiple sensors，which  can collect real-time data information of indoor air quality in many different places.The data contains indoor temperature，humidity，dust density，concentration of VOC（Volatile Organic Compound） and other harmful gas.Through the Wi-Fi wireless module，the indoor air data information is stably transmitted to the computer or mobile phone and other clients.

Key Words

STM32;Indoor-air data information;VOC Concentration

0 引言

健康是人类进行一切活动的保障，而空气质量的好坏直接影响人体健康。研究表明，我国成年人平均每日室内活动时间为20小时，城市居民和儿童则高于20小时（1）。也就是说，室内的空气质量对于人体健康的影响远远高于户外的空氣质量。然而，室内中使用的很多物品都会释放VOC等有害气体，严重危害人体健康（2）。因此，本文结合智能家居理念，提出一种能够多点、实时监测室内空气质量的系统设计。该系统能够精确采集室内温度、湿度、CO2浓度、粉尘密度（空气颗粒物浓度）、VOC等有害气体浓度等数据信息，最终通过wi-fi无线模块，将室内空气数据信息稳定地传输到电脑或者手机等客户端（3）。该系统监测项目种类繁多、测量精准、多点同步检测、稳定性好、成本低廉、人机交互简单、有一定预警与报警措施。人们可以根据传输的数据信息，采取下一步措施来改善室内空气质量或净化室内空气。

1 系统总体方案设计

该系统主要由电源模块、核心处理器、数据采集模块、液晶显示模块、Wi-Fi无线收发模块和客户端六部分组成。在整个系统中，电源模块为其他各模块供电，STM32F103作为微处理器（4），主控芯片通过数据选择电路传感器与温湿度传感器、CO2浓度传感器、空气VOC浓度传感器等多种传感器建立串口连接，实现对室内温度、湿度、空气颗粒物浓度、CO2浓度、空气VOC浓度等空气质量参数进行监测。开发板通过TFT液晶显示屏，将项目检测出相应的数值显示在TFT液晶显示屏上（5），配合ESP8266无线模块将数据传输到局域网服务器端，用户可通过电脑或者手机等客户端远程查看实时室内环境参数。系统总体框图如图1所示。

2 系统硬件设计

硬件设计主要包括：STM32F103微处理器、传感器数据采集模块、液晶显示模块、Wi-Fi无线收发模块。硬件系统结构图如图2。

2.1 STM32F103微处理器

微处理器（MCU）采用意法半导体STM32F103VCT6芯片，如图3所示内核采用ARM 32位Cortex-M 3处理器，工作频率高达72MHz;内存为256KB的Flash程序存储器，48KB的SRAM，足以存储或处理用户程序;2个12位AD、外部通道16个、内部通道2个，内置温度传感器;7个定时器包含1个高级定时器（PWM）;9个通信接口，包括2个U2C接口、3个USART、2个SPI、1个USB接口、1个CAN，可以满足温湿度、VOC浓度以及其他数据信息采集。该芯片具有低能耗，功能强大的特点。微处理器通过USB接口与外部系统连接，实现实时发送数据的目的。

2.2 传感器数据采集模块

2.2.1 温湿度传感器

系统采用ZS03传感器（6），该传感器是一款数字式温湿度传感器，采用高分子电阻型湿敏原件和NTC测温元件。具有采集温度时间快，精度相对于传统温度传感器高，抗干扰能力强等特点。内部集成ADC转换电路，单总线数据传输。可以设置问答模式或自动上传模式。传输协议具备求和校验位，提高了数据传输过程的安全可靠度。

2.2.2 CO2浓度传感器

采用MH-Z19B传感器（7），该二氧化碳浓度传感器模块通过自由扩散效应，将所在环境中二氧化碳浓度传递到设备内部，利用非色散红外（NDIR）原理对空气中存在的CO2进行高精度检测，具有良好的选择性、无氧气依赖性和寿命长等特点。内置温度补偿电路设计，可以进行小范围的温度自动补偿。同时支持USART串口输出、模拟输出以及PWM输出。该传感器是将红外吸收气体检测技术、精密光路设计和精良电路设计紧密结合而制作出的高性能传感器，具有抗水汽干扰、不中毒等特性。

2.2.3 VOC浓度传感器

采用ZP-16传感器（8），该传感器使用先进的片式后膜半导体气敏元件，该气敏元件对甲醛、一氧化碳、氨气、酒精、香烟烟雾、香精等有机挥发气体具有极高的灵敏度。元器件在出厂时已经通过老化、标定、校准等流程。内置ADC转换电路，具有USART串口输出。

模块通讯分为主动上传与问答式两种工作模式，出场默认为主动上传模式，模块在主动上传模式下，每经过1s后，会从USART串口中发送一次当前环境中有机挥发物浓度值。

2.2.4 粉尘传感器

采用ZH03B传感器（9），该激光粉尘传感器利用米氏散射原理，通过集成风扇将附近空气吸入，对空气中存在的粉尘颗粒物进行高精度检测。传感器内部结构精密，风道设计科学，可以适应多种外部风道情况。内部集成ADC模块电路可以将数据通过USART串口或PWM输出。

2.3 液晶显示模块

LCD液晶显示屏由液晶面板、触摸面板、液晶控制器芯片组成，在PCB底板上通过排线引出信号线，液晶显示屏本身集成了控制器芯片，MCU可以直接将需要显示的内容通过排线传输给液晶控制器，从而控制面板显示。

主控芯片开发板与液晶模块通过排针连接，引脚连接如图所示4。标号1圈出的是液晶引出8080信号的16位数据线，与MCU的I/O引脚直接相连，用于RGB信号数据的传输。标号2圈出的是8080的控制信号线，同样与MCU的独立I/O引脚直接相连，通过MCU控制LCD。特别地，液晶的复位引脚，即LCD_RESET引脚与MCU的复位引脚NRST直接相连。这样可以让MCU进行复位的同时，自动触发液晶面板的复位引脚，同步复位。标号3圈出的是触摸控制芯片XPT2046引出的SPI控制信号线。MCU可以通过SPI获得触摸信号。

2.4 Wi-Fi無线收发模块

采用ESP8266串口（10），Wi-Fi无线收发模块的ESP826 6-12E，ESP8266-12E是ESP8266-12的增强版，完善外围电路，增强阻抗匹配，信号输出更佳，无论是稳定性还是抗干扰能力，都得到了大幅度的提升，引脚上也新增了六个IO口，SPI 口引出，开发更便捷。WIFI 模块通过服务器送至APP。在远程客户端即可看到室内空气质量信息。

3 系统软件设计

3.1 微处理中心软件系统设计

微处理中心主程序流程图如图5所示，应用程序采用C语言进行编写。具体流程如下：

（1）系统上电后进行初始化;

（2）采集空气质量各参数信息;

（3）计算处理各参数信息;

（4）将处理后的数据信息传给液晶显示器;

（5）与阈值作对比，若数据信息接近或超出阈值，发出预警或报警;

（6）重复（2）～（5）操作。

3.2 室内空气监测系统软件设计

室内空气监测系统软件设计主要是数据采集程序设计，其流程图如图6所示。通过单总线数据传输，主控MCU发出起始信号，在传感器响应后延时直到数据线被拉低。延时到数据区域，判断数据线电平，从而获取传输数据。将传输的数据依次放入全局数组中，结束通讯后进行数据处理、数据校验并与传输数据校验位对比。若一致则接收数据有效，否则重新传输数据。在编程时，对各传感器模块操作程序、串口通信程序、数据存储程序以及液晶显示程序均采用C语言编写。通过程序转换，能够获得室内空气温湿度、VOC浓度、粉尘密度等数据信息。

4 结论

本文介绍了基于STM32的智能室内无线空气质量监测系统设计，其硬件设计和软件设计，并在教室、实验室、住宅等多种场合进行测试，结果显示该系统能够实现多点、实时、准确监测室内温湿度、粉尘密度、VOC等有害气体浓度等数据信息，并通过wi-fi无线网络，将室内空气数据信息稳定地传输到电脑或者手机等客户端。该系统设计不但实现了准确、实时、稳定地监测室内空气质量的目的，而且具有低成本、低能耗、人机交互简单、便于升级维护等特点，具有广泛的应用前景。

参考文献

[1]苏百顺，靳孝峰，郭帅童，霍晓丽.基于STM32的环境综合参数检测仪的设计[J].测控技术，2018，37（06）：60-63.

[2]韦海成，王淼军，魏鑫，舒胜.基于STM32的室内空气质量监测自适应调节系统[J].现代电子技术，2016，39（08）：130-134+137.

[3]王志强，王直.基于STM32室内空气质量检测系统硬件设计[J].电子设计工程，2017，25（09）：108-112.

[4]黎冠，马婕，卜祥丽.STM32单片机在室内环境监测系统中的应用[J].自动化仪表，2014，35（07）：29-31.

[5]汪琪，杨洪涛.基于单片机的室内环境监测与净化系统[J].科技视界，2019（20）：18-19+28.