基于GSM的室内空气质量监测系统设计

倪淋一 杨 旻 孙升琦 朱 恒

（东南大学成贤学院电子工程系，江苏南京210088）

基于GSM的室内空气质量监测系统设计

倪淋一 杨 旻 孙升琦 朱 恒

（东南大学成贤学院电子工程系，江苏南京210088）

以STC12C5A60S2为主控芯片，SIM900A为GSM通讯芯片，设计一种基于PM2.5传感器与易燃气体传感器的空气质量自动检测与换气并带有远程火灾报警的智能家居系统。重点介绍了STC12C5A60S2的芯片特性及其在控制模块中的应用，并简单描述了SIM900A芯片的特点及与之配套的硬件电路；在软件部分，介绍了系统代码的结构，详细阐明了程序多模块协同运作的设计方案。

GSM；STC12C5A60S2；智能家居；PM2.5

0 引言

随着科技的发展和人们生活水平的提高，人们对居住环境方便快捷的要求越来越高，智能家居系统应运而生。智能家居是现代电子技术、通讯技术及自动化技术相结合的产物，它能够实现对家电设备的自动控制和管理、对家庭的安全进行监测报警，能够为用户提供安全舒适、高效便利的生活环境［1］。本文结合PM2.5传感器与MQ－2传感器，利用STC12C5A60S2丰富的硬件资源，配合SIM900A的GSM通信，设计了一套智能家居系统，该系统结构简单、功能完善并且具有较高的性价比。

1 PM2.5测量技术简介

目前市面上非专业的PM2.5传感器大多采用粒子计数原理。如图1所示，模块内设置加热器，加热使得气流上升，外部空气进入模块内部，如有粉尘等粒子通过时，阻断LED光源，光电检测器检测不到光源，光电检测器则低电位输出；如无粒子通过，则光电检测器高电位输出，形成PMW脉冲宽度调制信号，信号经过放大输出。因此只要计算到一定时间内低脉冲的比率，参照传感器的特性曲线，即可得到检测到的粒子数，进而计算出PM2.5的参数。

图1 PM2.5传感器原理示意图

对于一般的PM2.5传感器，内部配有DA芯片可以直接将PM2.5的值作为模拟量输出到一个端口上，因此只需对其端口进行AD采样即可。但是，该采样的方法精度不高，响应速度缓慢，因此如果要提高测量精度的话，仍然需要串口通信的方式。以夏普公司生产的GP2Y1010AU0F为例，串口的配置要求为：

（1）波特率：2 400bit／s。

（2）每10ms发送1个字节，共7个字节，包含1位校验位：

（3）数据发送格式如表1所示。

表1 串口数据发送格式

（4）数据处理。接收到的数据按公式计算后得到Vo的值：

得到Vo的数值后，乘以系数K即可得到灰尘浓度值：

2 STC12C5A60S2芯片介绍

STC12C5A60S2／AD／PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟／机器周期（1T）的单片机，是高速／低功耗／超抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8～12倍。内部集成MAX810专用复位电路，两路PWM，8路高速10位A／D转换（250k／s），适用于电机控制、抗干扰场合。STC12C5A60S2有40个引脚，32个外部双向输入／输出（I／O）端口，同时内含两个外中断口，3个16位可编程定时／计数器，两个全双工串行通信口，两个读写口，STC12C5A60S2可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器的Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效降低开发成本。

下面简单介绍一下单片机STC12C5A60S2的一些特性以及本文所用到的接口：STC12C5A60S2为40脚双列直插封装的通用微处理器，采用工业标准的C51内核，其主要用于会聚调整时的功能控制。主要管脚有：XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。RST／Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接＋5V电源的正负端。P0～P3为可编程通用I／O脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P1端口（P1.0～P1.7）被定义为进行AD转换与串口2功能，P2端口用作矩阵按键接口，P0端口用作液晶屏幕接口，如图2所示。

3 系统硬件详解

本项目硬件部分由电源供电模块，PM2.5传感器，易燃气体传感器，矩阵键盘，LCD1602，GSM通信模块构成，系统的成功运行需要保证硬件的设计合理。

（1）电源供电模块：由于STC12C5A60S2与SIM900A所要的供电电压不同，且对于智能家居系统而言，必须采用220V市电，所以说这一模块主要完成降压的功能，以适应所需不同电压的器件。但需注意的是，由于SIM900A会偶尔在传输数据时发生尖峰电流的现象，从而导致电压的跌落，进而对整个系统造成影响，因此在本项目中需采用输出电流大于2A的电源供应，在这里采用TI公司的LM2596电源管理芯片，该芯片最大电流可达3A。

图2 接线示意图

（2）采集模块：由GP2Y1010AU0F与MQ－2构成，主要完成的是对空气质量与可能包含的易燃气体的采集。此外，为了提高该模块的灵敏度，在传感器附近设置了小风扇增加了进气量。此处的接线为：GP2Y1010AU0F接STC12C5A60S2的串口1，MQ－2接STC12C5A60S2任一A／D转换口。

（3）人机交互模块：由矩阵键盘以及液晶屏LCD1602构成，液晶屏可以实时显示系统的工作状态以及当前的空气中PM2.5浓度，矩阵键盘可以对系统进行参数设置。

（4）GSM模块：LM2596的输出调到9V作为GSM模块的供电。对GSM模块的操作只需通过串口对其发送AT指令即可，所以这里将单片机的串口2接到GSM的RXD上去，便可实现对SIM900A的控制。

（5）换气模块：因为排风扇是由220V的电机驱动的，所以在这里采用了由继电器与光耦构成的控制模块。其中，光耦作用是隔离高压与低压的器件。

4 系统软件设计

软件部分的设计遵循由上到下的设计顺序，首先确定整体系统的架构，将程序分为几个大模块，依次为：采集模块，用户交互模块和GSM通信模块。然后，再对各个模块进行细分，如图3所示。

图3 程序结构图

采集模块对应于PM2.5传感器模块与MQ－2传感器模块，用户交互模块对应于矩阵键盘模块与液晶屏幕显示模块，GSM通信模块对应于AT指令发送模块。最后，细化到具体的硬件中，也就是单片机的硬件资源。

5 结语

本系统主要有以下性能特点：结构简单，各个模块分割合理，易于制作与生产；成本低廉，与价格昂贵的PM2.5监测站仪器相比，该系统的价格更加亲民；功能多样化，不但具有PM2.5检测的作用，还可监测易燃气体，是真正的空气质量仪器；可实现远程通信，这体现了智能家居的特色。随着经济的发展，人们对物质文化需求日益增长，智能家居系统必将受到人们的青睐，相信这种功能强大的空气质量监测系统会有广阔的应用和发展前景。

［1］周洪，胡文山，张立明，等.智能家居控制系统［M］.北京：中国电力出版社，2006.

2015－04－15

倪淋一（1993—），男，江苏东台人，研究方向：嵌入式系统开发。