无线室内空气指数检测仪

李倩 操长茂 曾庆琦 丁紫萍 祝文欣

摘要：随着人们环保意识的增强，空气质量指数也越来越受关注，除了关注室外空气指数外，关注室内空气指数也同样对我们的身体健康起着至关重要的作用。本设计将物联网技术应用于智能家居之中，实现了一种可以准确的采集到室内温度湿度以及空气中悬浮颗粒物数据的装置，该装置可以通过液晶显示和无线传输到手机上显示的方式，使用户实时掌握室内气体环境，对维护良好健康的室内环境具有重要的实践应用意义。

关键词：蓝牙 空气质量指数 智能家居

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）07-0180-02

1 引言

智能家居是物联网技术中最热门的行业，健康和环保是社会发展的主题。将智能家居和健康环保相结合能使人们更加关注自己所处的室内环境，并能采取积极的措施改善室内环境，从而拥有一个更加舒适的室内环境。目前大多数人关注空气质量都是通过天气预报里的数据，然而那些宏观的数据只能反映室外大范围的空气质量，而不能准确到室内。但是室内灰尘、二手烟、厨房油烟等都会使PM2.5的数据高升。所以关注室内空气质量有重要的意义。而目前室内空气指数检测装置并没有得到广泛的应用，一方面由于市面上该类设备精度高但操作复杂，另一方面很少有设备能将数据无线分享从而达到真正智能。本设计可以准确的采集到室内温度湿度以及空气中悬浮颗粒物的数据，并能通过液晶显示和手机显示，具有操作简单，性价比高，数据读取方便的优点。

2 系统方案

本设计采用PM2.5传感器得到悬浮颗粒物的数据，采用DHT11温湿度传感器得到室内温湿度的数据，以STM32F103单片机作为主控单元，将室温信号和悬浮颗粒物的数据处理并显示在液晶上，并驱动蓝牙模块将数据发送至手机端。系统的整体框架图如图1所示。

2.1 主控芯片模块

本设计以STMicoelecronics公司的STM32F103单片机作为主控单元。STM32F103是32bit基于ARM核心的微控制器，多达112个快速IO口，2个I2C接口，5个USART接口，3个SPI接口。足以满足与传感器的通信以及数据的液晶显示和蓝牙传输。且该款单片机还具有运算速度快，精度高的优点。

本设计主要用到了单片机上的两个串口，一个用于和蓝牙通信，一个用于和PM2.5激光传感器通信。还用到了一个IO口，通过检测及控制其PWM波，得到温湿度。此外，还通过32个IO口与分辨率为320x240的LCD连接。

2.2 悬浮颗粒物检测

为了控制生产成本并保证数据精度，本设计采用国内一流水准的激光PM2.5传感器，其型号为G3。该传感器可以准确测量出空气中PM1.0；PM2.5；PM10的数据，最高精度为ug/m3。

传输协议：该传感器串口默认波特率9600Kbps，传送的数据为24个字节，每个字节长8位。1～4字节是起始符和帧长度标识符；5～22字节是数据位，其中5～10表示在CF=1，标准颗粒物下PM1.0；PM2.5；PM10浓度的高八位和低八位，11～16表示在大气环境下PM1.0；PM2.5；PM10浓度的高八位和低八位，17～22为数据保留位。此外，23～24位为校验位。数据处理的方式只需将采集到的数由十六进制转化为十进制即可，校验方式为：校验码=起始符1+起始符2+......数据9低八位。

工作原理：悬浮颗粒物经过空气通道进入光散射测量腔体，激光照射在这些颗粒上产生散射，同时在某一特定角度收集散射光，得到散射光强随时间变化的曲线。进而微处理器利用基于米氏理论的算法，得到颗粒物的等效粒径及单位体积内不同粒径的颗粒物数量，再将这些数据交给单片机处理即可。

2.3 温湿度检测

本设计采用DHT11数字温湿度传感器采集室内温湿度，传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。该传感器测量精度较高、抗干扰能力强、性价比极高，适合用于本设计之中。

传输协议：一次完整的数据传输为40bit，高位先出。数据格式：8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和。数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果的末8位。单片机发送一次开始信号后（大于18毫秒的低电平信号），DHT11从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始信号结束后，DHT11发送响应信号，送出40bit的数据，并触发一次信号采集，单片机对数据处理即可。如图2所示。

2.4 蓝牙模块

本设计采用DX-BTO5 4.0蓝牙模块。该蓝牙模块配置256Kb空间，支持AT指令，支持UART接口，支持与苹果手机和安卓手机的连接，满足我们的设计要求。此外，该模块还具有灵敏度高、功耗低、体积小、性价比高等诸多优点。

下位机STM32将温度，湿度，PM2.5的值打包成特定格式的一帧数据，通过蓝牙发送给上位机，然后上位机解包，最后在安卓手机上显示出相应的数据。由于本设计使用的此款蓝牙模块内部已经集成了蓝牙的协议栈，所以我们用类似于串口的方法操控这个蓝牙模块就可以了。

3 系统软件设计

本设计软件设计部分主要包括单片机和传感器之间的通信，单片机对数据的处理以及蓝牙的无线传输。利用STM32F103的串口可以接收激光PM2.5传感器采集的数据，再用算法将我们所需的数值提取出来并转化成十进制的数即可。在数据处理的过程中可以用上位机观察采集的数据是否准确。利用STM32F103的IO口提供高低电平给DHT11温湿度传感器，控制其开始工作。再利用串口接收总线上的数据，通过判断总线上高低电平的时序可以判断数据是1或是0，从而获取温湿度数据。数据获取后利用蓝牙模块发送即可。如图3所示。

4 结语

本设计制作了一种无线室内空气指数检测仪，以STM32F103单片机作为主控单元，采用激光PM2.5传感器采集悬浮颗粒物的数据，采用DHT11温湿度传感器获取室内温湿度的数据，将室温信号和悬浮颗粒物的数据处理并显示在液晶和手机上。经实际测试实验，本设计操作方便，检测进度高，完全符合检测室内空气指数的要求。

参考文献

[1]刘火良，杨森.《STM32开发实战指南》.机械工业出版社，2015.

[2]张学光.《PM2.5颗粒声波团聚控制技术》.科学出版社，2015.6.

[3]欧阳俊，陈子龙，等.《蓝牙4.0BLE开发完全手册》.化学工业出版社，2013.5.

[4]杨万海.《多传感器数据融合及其应用》.西安电子科技大学出版社，2004.

[5]蔡向红.《雾霾里的生存智慧--PM2.5的防护手册》.科学技术文献出版社，2008.5.