室内空气质量监测系统的研究与实现

吴梅梅，郝越鑫，王德永

（1.河北软件职业技术学院，河北 保定 071000；2.芯华创（北京）电子科技有限公司，北京 100000）

0 引言

近年来，随着我国社会经济的飞速发展，工业化、城市化进程日益加快，但也使得室内环境污染越来越严重，不仅危害到人们的身体健康，也造成巨大经济损失，所以长期动态监测室内空气质量显得尤为重要。

目前的监测系统普遍存在室内空气质量监测目标单一、使用门槛高、价格昂贵等缺点，本系统基于智能传感器模组可以做到通过WIFI 和MCU接入家庭无线网远程监控、查询。该室内空气质量在线监测系统基于无线传输系统，将PM2.5、CO2、温度、湿度、甲醛、TVOC、噪声等监测数据上传到云平台，所有监测参数可根据项目要求做实际调整，数据经后台采集分析后自动在PC 端、移动端进行展示和超标报警。该系统可广泛应用在智能家庭、智慧楼宇、生产车间等有特殊环境要求的室内空间，结合物联网环境质量平台，将各监测分散点统一监控，对环境监测实现数字化信息管理，增强管控效果的同时也节省了人力、物力等经济成本。

1 主要研究内容

本项目分为硬件系统和后端软件云系统两部分。硬件系统主要负责温湿度、甲醛、TVOC、PM2.5等参数的感知和数据的远端传输，后端软件传感云系统负责数据端的处理显示和统计管理。

1.1 系统整体架构

系统整体架构主要由系统平台、WIFI 无线路由器和多个区域传感器模块组成，如图1 所示。

图1 系统整体架构

其运行流程是系统由多个传感器节点通过WIFI 无线路由器将采集到的室内空气的温湿度和空气质量信息传到系统平台，很好的实现室内温湿度和空气质量的感知和检测，后台可以通过PC 或者手机端APP 登录到系统平台查询到前台采集的数据信息。

1.2 硬件系统框图

硬件系统主要由MCU 控制器、传感器、电源处理及WIFI 模块四大部分组成，如图2 所示。

图2 硬件系统框图

1.3 STM32F030F4P6 MCU 控制器

系统中控制器采用意法半导体公司的STM32F030F4P6 为32-bit Cortex TM-M0 微控制器。该控制器具有丰富的外设配置，如工作电压支持3.3V，主频可以工作到48MHz，16K Flash，4KSRAM，1 路 硬 件I2C，1 路UART 串 口，1 路ADC 和TSSOP20 封装。

1.4 传感器各单元

本系统用到3 类传感器，均采用盛思锐公司的相关产品，分别为温湿度传感器SHT41，TVOC空气质量监控SGP30，监测甲醛的模块SFA30。

温湿度传感器使用的是盛思锐的第四代温湿度传感器产品SHT41，这是一款高精度的工业级别产品，其中相对湿度测量范围为0～100%RH，测量精度可以达到±2%RH，分辨率为0.01%RH，响应时间t63%，典型值为4s，长期漂移＜0.25%FH/y，温度测量范围为-40℃～125℃，精度可以达到±0.2℃，分辨率为0.01℃，响应时间t63%典型值为2s，长期漂移＜0.03℃/y。要想得到更好的传感器特性推荐传感器工作再温度5°C～60°C 温度范围和20%RH～80%RH 湿度范围，如果长期工作在规定的正常工作范围外的环境会加速传感器的老化，影响传感器工作寿命。SHT41 对外硬件接口I2C总线工作范围为2.3V～5.5V，同时可以支持3V 和5V 供电系统。I2C 器件地址为0x44，本系统中SFA30 采用3V I2C 电平。

TVOC 传感器SGP30 用于监测室内空气质量，SGP30 是第一款单一芯片上集成多个传感元件的金属氧化物气体传感器，可提供空气质量的详细信息，如二氧化碳（CO2）和挥发性有机化合物（VOC）的含量。其原理是基于H2 和乙醇的检测等效测量环境中CO2和VOC 的浓度，SGP30 的最大工作范围在温度5℃～55℃和绝对湿度4g/m2～30g/m3，但是推荐传感器工作在温度5℃～30℃和小于绝对湿度30g/m3，超出此范围会加速传感器的老化。SGP30 对外硬件接口I2C 总线工作电压为1.8V，I2C 器件地址为0x58。

甲醛监测传感模块SFA30 工作电压支持3V 和5V 系统，内置温湿度补偿，其测量范围为0～1000ppb，测量精度±20ppb 或测量值的±20%，对外接口同时支持UART 和I2C。I2C 器件地址为0x5D。本系统中SFA30 采用3V I2C 电平。

1.5 电源系统实现

系统由1 节4.2V 可充电18650 锂电池供电，电池容量为1200mAH。充电方案采用赛微微电子有限公司Cellwise 的CW6305，其最高可以支持500mA 充电。参考电源处理架构如图3 所示。图4为CW6305 内部功能框图。

图3 电源处理架构图

CW6305 芯片内部具有路径选择器，当有外部电源DC/VBUS 供电时，通过Vsys 引脚供电到Vsys 整个后级系统即图4 中路径1，相反当电源DC/VBUS 不在位时，系统通过电池对后级系统供电即图4 中路径2，另外路径3 是外部电源DC 或者VBUS 供电时的电池充电路径。

图4 CW6305 内部功能框图

后级电路中选用了Cellwise 的两片CW6601分别产生3.3V 和1.8V 电平输出。CW6601 为超级静态功耗的DC/DC 降压芯片，其中3.3V 给MCU STM32F030F4P6 和上文提到的工作在3.3V 电压传感器的SHT41 和SFA30 供电，同时给工作在1.8V 的SGP30 供电。图5 为CW6601 典型应用图，图6 为输出真值表图。芯片可以通过引脚VSEL1，VSEL2，VSEL3 设置输出具体电平。当VSEL1=VSEL3=0，VSEL2=1，CW6601 配置输出1.8V；当VSEL1 =VSEL2 =VSEL3 =1，CW6601 配 置 输 出3.3V。

图5 CW6601 典型应用图

图6 CW6610 输出电平设置真值表

1.6 硬件设计电平转换实现

传感器SGP30 工作电压为1.8V 工作电压，而MCU STM32F030F4P6 使用的是3.3V 供电，为了保障IIC 接口电平SDA 和SCL 工作正常，引入电平转换电路，实现电平由3.3V 到1.8V 的转换，如图7 所示。

图7 电平转换电路

1.7 WIFI 模块

WIFI 模块采用乐鑫公司的ESP-WROOM-5V2L 模组实现，因为ESP-WROOM-5V2L 模组支持IEEE802.11 b/g/n，采用PCB 板载天线，可以通过UART 接口与其他设备进行通信，并且该款模组内置3.3V LDO 稳压器及电平转换电路，接口逻辑电压可支持5V/3.3V 兼容，其外围接口电路如图8 所示。

图8 ESP-WROOM-5V2L 外围设计图

2 软件实现

本系统软件实现包括两部分，一是硬件系统中的嵌入式软件，二是服务器端（本地服务器或者云端服务器）进行监测数据的参数处理分析及存储。系统支持两个功能：（1）支持Boot Loader 固件升级；（2）支持App 远端查询监控当前及历史传感器参数，从而了解室内环境情况。该系统使用嵌入式C 语言进行开发，IDE 开发环境使用Keil C。系统主要完成两大任务，即传感器采集和数据通信，具体流程如图9 所示。

图9 软件流程图

传感器采集任务。系统每间隔5 分钟启动一次，采集所有传感器数据（包括温湿度，甲醛和TVOC）并存储本地。每一种传感器采集数据最多存储10 组数据，超过10 组数据进行覆盖。软件系统支持报警阈值设置（1 级报警和2 级报警灯光指示），当超出设置阈值时具有2 个红色LED 光指示输出功能，并根据采集数据判断是否清除报警指示灯光状态。

通信任务。通过WIFI 唤醒终端设备。具体工作流程是：在终端设备通过WIFI 连接到路由器（AP）从而加入局域网或者Internet，在同一个网络中，通过其它终端设备（如PC 或者手机）给唤醒终端设备发送唤醒数据包，从而实现远程唤醒终端。在终端设备进入休眠状态时候通过WIFI 唤醒终端设备，基本原理是给休眠的终端主控一个唤醒信号，使终端设备从休眠状态退出，从而节省终端功耗。

3 结语

本系统进行了室内空气质量的监测系统的研究与实现，并可以授权用户通过远端终端实时访问传感器数据，整个系统成本较低且简单实用，对室内空气质量的监控具有一定的现实意义，同时很容易扩展到其他应用场景。