基于STM32 单片机的室内空气监测系统的设计

刘艳峰

（甘肃省太阳能发电系统工程重点实验室酒泉职业技术学院，甘肃酒泉，735000）

0 引言

随着我国经济快速发展和人民生活水平提高，人们对居住环境的要求也越来越高，所以室内空气污染成为大家关注的焦点，对室内空气质量也提出了更高的要求。空气中污染物的浓度是评价室内空气质量好坏的重要指标之一，传统室内空气监测在测试过程中都是采用人工操作，不具有自动测量功能，不仅效率低，而且容易造成环境污染。同时，也没有很好地适应当前人们对室内空气质量要求不断提高的现状。针对以上情况，设计了一种基于STM32 单片机的室内空气监测系统，该系统将传感器与单片机结合实现对室内温湿度、甲醛、PM2.5 等环境参数的实时采集，并根据采集到的数据计算出相应的值，进而得到室内空气参数实时浓度值，实现了对室内空气实时监测和预警的目的，具有简单实用，测量准确等优点[1]。

1 系统硬件设计

■1.1 系统硬件总体设计

室内空气监测系统包括主控制器模块、传感器模块、显示模块和蓝牙模块[2]。传感器模块主要实现数据采集，然后将模拟信号转换为数字信号输入到单片机中，通过软件对传感器信号进行处理和分析，当数值超过设定值时，则发出警报；显示模块负责实时显示室内情况，以便及时提醒用户采取相应措施；蓝牙模块连接上位机进行信息传输，达到实时监测的目的。

室内空气质量监测主要是通过对室内环境中空气成分的变化情况进行实时监控，并根据监测数据来判断室内环境是否正常。该系统实现了室内环境参数的实时采集与显示及远程通信功能，具有性能可靠、安装方便、操作简单等特点，可用于环境空气质量监测及预警，能够满足室内空气质量监测要求，可实现在线实时测量室内空气质量参数。系统硬件设计框图如图1 所示。

图1 系统硬件框图

■1.2 主控制器模块

室内空气监测系统的主控制器采用STM32F103 单片机，作为一种新型的嵌入式微处理器，该单片机具有高可靠性、体积小、易于维护等特点[3]。还具有良好的抗干扰能力，较高的稳定性和可扩展性。通过对STM32F103 单片机进行功能扩展设计，实现了数据采集、通讯、显示和报警等功能，整个控制系统灵活方便，为用户提供更多选择和良好的使用环境。最小系统电路图如图2 所示。

图2 单片机最小电路图

■1.3 温湿度采集模块

温湿度采集模块采用 DHT11 数字型温湿度传感器，在单片机的控制下实现了对环境温度、相对湿度的测量[4]。该传感器测量精度高，抗干扰能力强，能实现温度、湿度的连续测量。电路原理图如图3 所示。

图3 温湿传感器电路图

■1.4 PM2.5 采集模块

PM2.5 采集模块采用GP2Y1051AU0F粉尘传感器，能够实时测量PM2.5 浓度，通过对粉尘的检测来判断环境是否达标[5]。可在较短时间内完成对环境中颗粒物的检测和收集工作。通过对传感器所采集到的数据进行数据处理计算得到颗粒物浓度值，并将其换算成相应数值后输入单片机，以实现对空气质量状况的实时监测与诊断。PM2.5 采集模块电路图如图4 所示。

图4 PM2.5 采集模块电路图

■1.5 甲醛采集模块

甲醛采集模块采用ZE08-CH2O 传感器，将空气中的甲醛浓度信号转换为电信号，并通过串口传输到单片机，然后由单片机对电信号进行处理和分析，得到甲醛浓度信息，从而实现了甲醛检测功能[6]。该传感器内置温度补偿电路，当环境温度发生变化时，可进行温度补偿。同时具有体积小、成本低等优点。甲醛采集模块电路原理图如图5 所示。

图5 甲醛采集电路

■1.6 显示模块

显示模块采用OLED显示屏，主要功能用来显示实时温湿度、甲醛、PM2.5 等参数，可在各种环境下使用。具有响应速度快、大视角的特点，分辨率较高，由于不需要背光源，所以其功耗较低。显示模块电路图如图6 所示。

图6 显示模块电路图

■1.7 蓝牙模块

蓝牙模块把单片机采集到的数据传输给上位机，实现数据的传输。采用HC-06 蓝牙模块，具有重量轻、功耗低等特点[7]。该模块可用于从机系统中传输数据和控制信号，也可以作为其他设备连接到从机或将其接入到主计算机上的通信单元使用，还可用于在从机与主计算机之间实现数据传输。可以满足各种不同的通信需求。蓝牙模块电路原理图如图7 所示。

图7 蓝牙模块电路原理图

2 系统软件设计

室内空气监测系统的软件部分主要实现的功能是数据采集、处理和分析，并将检测数据传送到主控制器。通过数据采集和分析，对室内污染状况进行判断，从而为用户提供相应的环境管理依据。系统采用了模块化设计方法，实现了功能划分清晰、功能丰富、运行速度快等优点。

首先，系统进行初始化，用户根据实际需要设定各个参数的阈值。然后将设置好的参数输入到数据库中。主控制器发出指令，控制各个采集模块开始采集数据，采集到的数据通过蓝牙模块传输到主控制器中，同时显示模块显示采集到的温湿度、PM2.5、甲醛等实时参数值。主控制器对各个参数值进行处理，判断各个参数值是否超过用户设定的阈值，当检测到有参数超出了设定的阈值时，主控制器启动报警功能提醒用户及时采取防护措施。如果没有，则会自动进入下一个循环，系统继续采集室内各个参数值。在主控制器的控制下，采集模块自动完成工作，并向主控制器发送采集结果。在整个过程中，各子系统之间不存在交互关系。通过蓝牙模块与上位机连接，上位机可随时获取室内环境情况。由于蓝牙具有较强的扩展性，可以满足不同地区和场所的使用需求。同时，蓝牙还可以支持多种协议以及无线局域网通信方式，以便于远程监控和数据传输。主程序流程图如图8 所示。

3 结果分析

在实验室环境下，对空气监测系统进行测试与验证。实验数据是在连续7 天内，把同一时间同一测量点的测量结果经过加权平均得到的。所测的数据与标准数据进行对比，如图9～图12 所示。

图9 PM2.5 浓度对比图

图10 甲醛浓度对比图

图11 相对湿度对比图

图12 温度对比图

图13 某时刻上位机监测图

本系统测量得到的PM2.5 浓度、甲醛浓度、相对湿度和温度等参数与标准值基本吻合，误差均在允许的测量范围内，具有较高的精度，符合实际测量要求。上位机可以实时显示室内环境参数值，并且有预警功能，当检测到室内参数超过设定的上限或下限时发出警报。该系统在实验中得到了较好的验证，能够很好地对环境参数进行监控。

4 结论

本文提出了一种基于STM32 单片机的室内空气监测系统。文中详细介绍了系统硬件结构及软件设计，采用了模块化设计思想，以STM32 单片机作为核心器件，以温湿度、PM2.5、甲醛等采集模块为外围部件进行数据采集与处理，并将采集到的信息通过蓝牙传输给上位机进行显示和管理，实现了对室内温度、湿度等环境参数的实时监控与报警功能。

实验结果表明，该控制系统可以有效地采集并显示室内PM2.5、甲醛等信息，具有较好的实用性。该系统对改善人们居住环境有着重要意义，同时为智能家居的设计提供了一个新的思路和方法。