基于機智云物聯(lián)網(wǎng)平臺的空氣質量多功能檢測系統(tǒng)設計

摘要: 目前市面上的空氣質量檢測儀通常只能檢測少數(shù)幾種氣體，面對空氣中多種有害氣體，就要使用不同的檢測儀器。針對現(xiàn)有檢測系統(tǒng)功能不全等問題，開發(fā)了由STM32單片機、各類傳感器、LCD顯示屏和WiFi通信模塊組成的多功能檢測系統(tǒng)，并利用機智云物聯(lián)網(wǎng)平臺傳輸數(shù)據(jù)到用戶終端。該檢測系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對空氣中的CO、CO2、PM2.5、TVOC、甲醛的含量以及溫濕度進行實時監(jiān)測，并具有超標報警功能。

1引言

空氣中的有害物質直接影響人們的心身健康，室內空氣的危害氣體主要有CO、CO2、PM2.5、甲醛等[1]。溫濕度對人的舒適度有較大影響，低濕度環(huán)境對人有多種不利影響[2-4]。因此，對空氣中的有害氣體及環(huán)境的溫濕度進行檢測是必要的，對人員密集、活動頻繁的室內公共場所進行空氣質量檢測尤為重要。空氣質量檢測方法可以根據(jù)檢測內容的不同進行設計。采用STC系列單片機可設計出室內溫濕度、PM2.5顆粒物濃度檢測方法[5]。

利用STM32單片機能實現(xiàn)對室內溫濕度、PM2.5以及甲醛濃度檢測，數(shù)據(jù)可采用藍牙通信方式傳輸?shù)?a target="_blank">手機[8]，也可利用網(wǎng)絡和Lo Ra(Long Range)無線通信技術實時地將檢測結果上傳至上位機[9]。上述方法對空氣質量的檢測主要對象是溫濕度、PM2.5、CO、CO2甲醛濃度等，而且一臺檢測設備也難以完成這些目標的同時檢測。在數(shù)據(jù)傳輸方面，藍牙通信距離短、可靠性不高，Lo Ra無線通信技術系統(tǒng)較復雜，成本相對高。

實際上，空氣中的有毒有害氣體比較多，例如空氣中的TVOC(TotalVolatile Organic Compounds總揮發(fā)性有機物，簡稱TVOC)對空氣質量影響大，引起了人們的高度重視。因此，針對目前空氣質量檢測系統(tǒng)功能少的現(xiàn)狀提出了一個新的設計方案，系統(tǒng)設計以STM32單片機為主控器，由有關功能傳感器和Wi Fi無線通信模塊組成，利用機智云和Wi Fi無線通信技術將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩艚K端，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。該方案可完成多種有害氣體的檢測，同時能對溫濕度進行監(jiān)測。

2 系統(tǒng)設計方案

空氣質量檢測系統(tǒng)可檢測多種有害氣體，對環(huán)境的溫度、濕度能進行監(jiān)測，檢測到的數(shù)據(jù)信息可上傳到機智云物聯(lián)網(wǎng)云平臺，并發(fā)送到用戶終端，設計目標和技術指標如下：

2.1 設計目標與技術指標

2.1.1 設計目標

(1） 具有能夠檢測CO、CO2、甲醛、TVOC、PM2.5和溫濕度檢測功能。

(2） 能夠在LCD屏上實時的顯示相關檢測數(shù)據(jù)。

(3） 利用Wi Fi無線通信技術上傳數(shù)據(jù)到機智云物聯(lián)網(wǎng)云平臺。

(4） 能將數(shù)據(jù)發(fā)送到用戶終端，實現(xiàn)用戶手機及電腦等設備遠距離傳輸。

(5） 具有對有害氣體超標提示與報警功能。

2.1.2 主要技術指標

系統(tǒng)設計的技術指標如表1所示：

表1技術指標要求

2.2 系統(tǒng)組成與模塊選型

2.2.1 系統(tǒng)組成

根據(jù)設計目標構建系統(tǒng)組成，如圖1所示，系統(tǒng)主控制器為STM32，數(shù)據(jù)采集部分由二氧化碳（TVOC、溫濕度）傳感器模塊、甲醛傳感器模塊、PM2.5采集模塊以及一氧化碳采集模塊構成，此外還有顯示、報警以及Wi Fi無線通信模塊。

圖1 空氣質量檢測系統(tǒng)組成框圖

2.2.2 功能模塊的選擇

(1）系統(tǒng)主控制芯片的選擇

控制器是系統(tǒng)的主要器件，在滿足功能要求的情況下主要考慮性價比，通過對目前市面上比較流行的幾大主流單片機芯片對比分析，系統(tǒng)設計宜選用STM32F407ZGT6單片機，該芯片具多個串口，主時鐘頻率達到168MHz。

(2)PM2.5傳感器的選擇

PM2.5傳感器種類多，有普通傳感器，也有激光傳感器，可根據(jù)精度要求和價格進行選擇，相對于普通傳感器，激光PM2.5傳感器精度高但價格貴許多，本次設計選用價格低的夏普GP2Y1014AU作為PM2.5傳感器。

(3）二氧化碳(TVOC)與溫濕度傳感器選擇

考慮到系統(tǒng)功能需求，采用CCS811傳感器，它既可檢測二氧化碳，又能作為TVOC傳感器使用。溫濕度傳感器選用HDC1080模塊，它與二氧化碳(TVOC)傳感器集成在一起，采用IIC總線傳輸數(shù)據(jù)，體積小。IIC總線類型的傳感器結合在一起有利于節(jié)省I/O口資源。

(4）一氧化碳以及甲醛傳感器模塊的選擇

一氧化碳（CO）與甲醛屬于高危氣體，考慮到安全性要求，CO傳感器選用ZET07-CO模塊，甲醛傳感器采用英國達特SMT8404數(shù)字式模塊，主要是因為這兩款傳感器是以串口方式傳輸信號，而且數(shù)字信號傳輸不易受到外界干擾。

3 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件設計主要是對各種傳感器、Wi Fi無線通信模塊等功能器件與STM32單片機的接口電路設計。功能單一的傳感器接口電路簡單，下面介紹主要的模塊接口電路。

3.1 CJMCU-8118傳感器模塊采集電路設計

CJMCU-8118模塊就是CCS811二氧化碳（TVOC）傳感器與HDC1080溫濕度傳感器組合體，采用IIC總線，CJMCU-8118模塊與STM32單片機的連接方式如圖2所示，其中SCL是IIC數(shù)據(jù)傳輸?shù)?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/時鐘/" target="_blank">時鐘，SDA為IIC的數(shù)據(jù)線，WAK是一個使能信號線。

3.2 串口數(shù)據(jù)傳輸器件電路設計

系統(tǒng)設計使用四個串口類型的數(shù)據(jù)傳輸器件，分別是CO傳感器模塊、甲醛傳感器模塊、串口LCD屏幕以及Wi Fi8266模塊。這四個串口類型模塊與STM32單片機的連接方式如圖3所示。采用5V供電電壓，其中CO模塊連接的是單片機的串口P4，甲醛模塊連接的是單片機的串口P3,LCD屏幕連接的是單片機的串口P2,Wi Fi8633模塊連接單片機時，需要GBC＿LED與GBC＿KEY作為控制信號設置Wi Fi8266模塊的工作模式。

圖2 CJMCM-8118與STM32接口電路

圖3串口類模塊與單片機連接圖

4 系統(tǒng)軟件設計

4.1 主控程序設計

在系統(tǒng)運行時可能會出現(xiàn)外界的干擾，為了防止系統(tǒng)在遇到干擾時無法正常運行，系統(tǒng)在軟件設計上加入了看門狗程序，保障系統(tǒng)運行不出差錯，程序流程圖如圖4所示。STM32F4的中斷系統(tǒng)可配置16個不同優(yōu)先級別的中斷，并且中斷之間還可以嵌套中斷。首先對單片機初始化，進行優(yōu)先級分組，在此配置兩個響應優(yōu)先級和兩個搶斷優(yōu)先級。

統(tǒng)滴答計時器的初始化是為了做精準的延時而準備的，延時函數(shù)在每個模塊基本上都有調用。最后對各個模塊初始化，主要是對STM32F4最小系統(tǒng)I/O口的參數(shù)以及模式進行配置，主要有串口的配置、ADC、IIC、PWM的功能配置。完成了初始化后，系統(tǒng)開始檢測Wi Fi模塊有沒有成功連接路由器。在Wi Fi成功連接之后開始接收數(shù)據(jù)，與設定數(shù)據(jù)進行比較，是否有CO、甲醛超標，有超標則蜂鳴器警報，并通過通信方式向手機APP或者PC端發(fā)送警報。沒有超標將會繼續(xù)判斷CO2、TVOC、溫濕度、PM2.5是否超標，如果有超標，系統(tǒng)顯示屏將會紅色提示，否則，顯示屏將會是藍色，表示正常。

圖4主程序流程圖

4.2 WiFi模塊程序設計

在對Wi Fi模塊進行編程之前，先要對WiFi模塊進行固件庫改寫，在固件庫改寫成功之后才能進行編程，程序流程圖如圖5所示。圖中的喂狗就是上一節(jié)提到的看門狗程序，協(xié)議處理可直接調用庫函數(shù)實現(xiàn)。WiFi設備通過配置入網(wǎng)，可由按鍵啟動相應的連接模式，并對配置好的路由器進行連接。

WiFi設備與機智云服務器是雙向通信，APP端的操作信息通過機智云服務器發(fā)送到Wi Fi設備，WiFi設備接收完成后，單片機（MCU）將會收到協(xié)議幀格式的數(shù)據(jù)，緩沖區(qū)將會儲存數(shù)據(jù)。每隔一段時間都會進行一次抓包，然后將數(shù)據(jù)進行解析，解析后的數(shù)據(jù)能被MCU識別從而發(fā)起事件處理。傳感器采集的數(shù)據(jù)能夠被MCU儲存，然后這些數(shù)據(jù)通過協(xié)議封裝成數(shù)據(jù)幀發(fā)送到WiFi設備，WiFi設備將數(shù)據(jù)輸送至機智云平臺的云端服務器，再傳輸?shù)接脩艚K端。

圖5 WiFi模塊工作流程圖

4.3 傳感器模塊程序設計

4.3.1 PM2.5傳感器模塊程序設計

PM2.5傳感器主要用到了ADC變換以及PWM脈沖信號配合才能得到采集的數(shù)據(jù)。采樣程序是根據(jù)夏普官方說明書中提到要接入一個280us低電平和9720us高電平的PWM信號作為啟動信號。通過計算PWM的周期能達到10ms,PM2.5模塊只有在PWM低電平280us后才開啟轉換，因此這時候的ADC采樣才是有效的。程序設計時ADC的初始化是通過配置寄存器把管腳功能復用為ADC,PWM初始化是配置PA4管腳相關參數(shù)。

根據(jù)夏普PM2.5官方提供的典型粉塵電壓轉換圖，如圖6所示，可計算粉塵濃度。但是由于起始電壓的典型值在不同的地區(qū)會有不一樣的取值，實際上在很多地區(qū)的無塵電壓為0V。由圖6可知，電壓變化范圍在0.0V～3.5V時，粉塵濃度與電壓呈線性關系。

圖6粉塵電壓轉換圖

電壓值的轉換計算:

粉塵轉換計算：

由公式（1)(2）得出總的計算公式：

注：因ADC是12位，212的值是4096，但計算機中12位的非負數(shù)補碼最大值是4095，公式（3）需要進行修正，修正值為500/4095=0.12，因此，公式（3）要減去0.12，這樣實際測量值更準確。

4.3.2 CJMCU-8118模塊程序設計

CJMCU-8118模塊的信息采集是通過IIC總線進行的，IIC協(xié)議啟動、停止、等待ACK到來的時序都是通用時序。在IIC總線的通信中要求時鐘速度不能過快，否則將會丟失數(shù)據(jù)，導致無法進行數(shù)據(jù)的采集。IIC協(xié)議內容也相對比較簡單，在使用時可以直接調用相應的庫函數(shù)。IIC總線中規(guī)定讀取寄存器數(shù)據(jù)必須選擇對應的地址，寫入信息之后停止，重新啟動才能真正開始讀取儲存器的數(shù)值。

要讀取相應的CO2、TVOC、溫濕度大小必須將其地址寫入傳感器，才能獲取相應的轉化值。寫入地址信息以及配置好模塊的模式之后，要用IIC的讀數(shù)據(jù)方式。讀完數(shù)據(jù)之后沒有應答信號，結束一次數(shù)據(jù)的讀取。程序設計時二氧化碳與TVOC直接是16位的ADC轉換值，溫濕度計算轉換根據(jù)官方資料提供的公式。

溫度計算公式：

濕度計算公式：

4.3.3 甲醛與一氧化碳模塊程序設計

這兩個傳感器使用的傳輸方式都是串口方式，并且在數(shù)據(jù)傳輸上是一致性，所以兩個模塊的程序設計方法相同。串口通信（USART）初始化是配置好相應的復用功能，串口采用中斷接收的方式，下一步就是要對中斷服務函數(shù)初始化。在中斷數(shù)據(jù)接收中判斷數(shù)據(jù)是否為0xff的16進制編碼，如果是則進一步開始保存相應的數(shù)據(jù)，當數(shù)據(jù)達到8位的時候停止接收。經過這一個流程就能完成一次數(shù)據(jù)的接收。程序設計時根據(jù)表2計算CO濃度與甲醛濃度，具體計算公式如下：

表2 串口通信數(shù)據(jù)傳輸表

甲醛濃度計算公式：

甲醛濃度(ug/m3)=(高位×256+低位)/10(6)

CO濃度計算公式：

5 系統(tǒng)集成與測試

各功能模塊設計、調試完成后，集成為一個系統(tǒng)，再進行系統(tǒng)功能測試。根據(jù)實際測量得到的粉塵濃度數(shù)據(jù)如圖7所示。圖中數(shù)據(jù)是在高濃度的粉塵下進行的測試，該測試結果能夠驗證公式（3）計算的正確性。圖8是系統(tǒng)集成圖，圖中所示信息是在一個VR室測試的空氣質量數(shù)據(jù)，測試結果說明了系統(tǒng)實現(xiàn)了相關功能。

圖7實際測量粉塵濃度與電壓關系圖

圖8VR室的實際檢測數(shù)據(jù)效果圖

6 結語

項目系統(tǒng)硬件設計了多種不同功能傳感器、WiFi無線通信模塊與主控制器STM32芯片的接口電路。根據(jù)傳感器的工作原理設計了相關程序，并以機智云物聯(lián)網(wǎng)平臺和WiFi無線通信模塊原理編寫了通信程序。實現(xiàn)了對室內空氣中的CO、CO2、PM2.5、TVOC、甲醛的含量以及溫濕度的實時監(jiān)測，檢測到的數(shù)據(jù)可在LCD液晶屏顯示，同時通過WiFi無線通信技術和機智云物聯(lián)網(wǎng)平臺傳輸?shù)接脩艚K端，并具有超標報警功能。該空氣質量檢測系統(tǒng)在VR室得到測試，性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)準確，具有實際應用價值。