智能家庭环境因子监控系统设计

2022-09-21 09:24梁东云吴晓云
商洛学院学报 2022年4期
关键词:电路图温湿度空气质量

梁东云,吴晓云

(商洛学院 健康管理学院,陕西商洛 726000)

随着科学技术飞速发展,人们的生活水平越来越高,居家环境的安全与舒适度越来越受到人们重视[1],天然气的浓度大小影响安全,空气质量及空气温湿度影响舒适度。根据需要设计了这款家庭环境因子监控系统。有关家居环境研究的设计和产品市场上也有不少,但大部分设计和产品都是围绕天然气的浓度测试而设计开发的[2]。传感器技术在环境监测方面的应用[3-4]、通信技术在远程控制的作用[5-6]、互联网等技术的发展也为本设计提供了可能[7-8]。本设计将传感器、通信、互联网三者结合起来,设计一款集天然气浓度和空气温湿度的测试于一体的产品,它具有检测精度高和信号传输稳定的特点,且能实现远距离控制。智能家庭环境因子监控系统,采用STM32F103作为微处理器,控制各个传感器采集电路、OLCD显示电路和WIFI无线通信模块电路。利用APP上位机实现远程监控室内空气质量参数,通过SWEETIME32单片机控制系统实现室内环境因子的智能控制。

1 系统设计方案

智能家居控制系统以SWEETIME32单片机为控制核心[9-10],将传感器采集的数据输送到SWEETIME32处理中心,数据处理后分别反馈到显示屏和远程手机终端,系统分为自动和手动两种模式控制空调和风扇的开关。主人在家可以直接手动处理,不在家可以通过手机远程处理,远程处理过程是:系统通过手机APP进行远程控制,采用温湿度传感器、可燃气体传感器、空气质量传感器、风扇和家用空调电器负责实时监测并改善室内空气环境。手机发出指令,通过WIFI信号系统指挥SWEETIME32单片机启动继电器,继电器控制风扇和空调的开关[11-12],从而实现室内空气质量的监控。系统整体框如图1所示。

图1 系统整体框图

2 硬件电路设计

2.1 信号采集模块

2.1.1 空气质量采集

MQ135气体传感器使用电导率较低的二氧化锡作为气敏材料。当二氧化锡遇到可燃气体时,传感器的电导率与空气可燃气体浓度大小成正比关系。传感器将气体浓度信号转变成电压信号,DO引脚连接主控制系统的AO引脚,传输模拟信号至AD转换器,旋转换成数字信号使主系统识别。电路图如图2所示。

图2 MQ135电路图

2.1.2 可燃气体浓度采集

MQ5可燃气体传感器是电阻性传感器,其电导率随空气中可燃烧气体浓度的增加而增大。该传感器电压为5.0 V时,清洗传感器上附着的杂质持续60 s,随后电压降为1.5 V,对空气中的可燃烧气体浓度进行检测,持续时间为90 s,因此该传感器检测用时150 s。电路原理图如图3所示。

图3 MQ5电路图

2.1.3 温湿度采集

DHT11的供电电压为3~5.5 V。传感器上电后,要等待1 s穿过不稳定状态,在此期间无需发送任何指令。数据端口上连接着一个10 K的上拉电阻,当主控制器处于待机状态或者未使用状态时,一直使数据终端电压状态保持在高电平状态[13]。在实际使用中,数据采集只需要将DOUT终端连接到MCU的I/O端口。电路原理图如图4所示。

图4 DHT11电路图

2.2 信号传输模块

通过将无线模块接入主控制系统,使主控制系统具备与云服务器和手机终端通信能力,把空气质量传感器、可燃气体传感器、温湿度传感器获取的参数发送到显示屏和手机端[14]。将WRX引脚连接主控制系统的A8引脚用来发送指令,WTX引脚连接A4引脚是接收主控制系统反馈的信息,在电源与地引脚之间增加一个100 μf的电容,用以去耦滤波。电路图如图5所示。

图5 WIFI模块电路图

2.3 控制电路

在设计系统中,加入了排气扇和空调来调节室内环境,用继电器控制这些电器进行工作。在设计电路中,选用NPN晶体管驱动,当晶体管被输入高电平时,晶体管就会饱和导通,集电极变成了低电平,继电器线圈接通,触电R31吸合。当晶体管被输入低电平时,晶体管就会中断,继电器线圈断电,触电R31断开。通过吸合、断开在电路中达到通、断电[15]。电路原理图如图6所示。

图6 继电器控制电路

3 软件设计

整个系统分为手动和自动两种模式,在自动模式下,主控制系统接收传感器发送过来的数据,判断室内环境参数是否超过设定的阈值。若达到阈值,便启动报警模式,蜂鸣器报警,发送信息至手机端,启动排气扇,使用者及时处理突发情况。在手动模式下,用户通过上位机对系统进行控制,并且可以控制空调开关使客户回家就可以感受到适宜的环境[16-17]。总体设计流程图如图7所示。

图7 总设计流程图

4 系统功能测试

用户通过手机APP下发指令,指令由云服务器传输到系统控制端,通过控制对象就可以对室内空气质量进行调节。温湿度传感器、空气质量传感器、可燃气体传感器将采集到的室内空气质量数据通过系统硬件OLCD显示屏和WIFI模块传输到APP端进行显示。图8和图9分别为OLCD和APP显示空气质量实时监测数据。

图8 系统测试图

图9 手机APP显示

5 结论

本文设计的家庭环境因子监控系统是以STM32为核心,采用DHT11数字芯片对温湿度、可燃气体传感器和空气质量传感器进行实时监测,实现对空气质量的检测,并根据阈值做出相应声光的报警。该智能环境监控系统是一款低成本、低功耗、使用方便的居家系统。

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