麻小娟，朱维娜，党建林

（西安明德理工学院 信息工程学院，陕西 西安 710124）

0 引言

温度、湿度和空气质量等实验室环境对人体健康、设备和安全生产起着非常重要的影响，对于环境变量在检测上的研究和技术已经很成熟，但在数据传输方式上多数为传统方案，即数据可以在本地及时的进行传输和反馈，往往研究方向主要是对数据的测量和监控方面，对环境变量的控制方面研究很少，在数据的传输上多以有线方式进行，导致施工难度和成本大幅度上升、需要人工干预控制，不宜进行大规模推广和实际应用；伴随着科学技术的不断发展，人类对智能化和网络化的需求日益增加，特别是进入21世纪以来，计算机技术、智能设备、集成电路及物联网技术得到大力发展，人们对信息传播的交互需求更加强烈，越来越多的用户将借助智能设备进行工作和学习，从信息化发达程度衡量来看，信息传播的准确性和效率在很大程度上决定了生产力。为了将实验室温湿度和空气质量等环境参数及时的进行反馈，发现环境参数的异常变量，减少不利环境因素对人体健康或设备安全造成影响，本文借助物联网技术设计了一款基于STM32 的实验室环境控制系统，实现对实验室环境变量的高效传输和控制。

1 系统设计及原理

实验室环境的远程检测和控制系统主要包含微处理器、显示模块、传感器、网络模块、电源模块等部分，系统工作原理为传感器负责采集环境变量信息，微处理器负责对环境变量数据进行解析、处理和控制，液晶显示模块将数据进行本机显示，网络模块将环境数据通过互联网传送到服务器并最终呈现在客户端上位机软件，通过对阈值的设置和比较，从而实现对环境数据远程传输和控制，系统整体设计框架如图1所示。

图1 系统框架

2 系统子模块设计

2.1 微处理器

为了实现更高性能和可靠性，微处理选用意法半导体设计开发的STM32F103C8T6，相比传统的8051 系列单片机，其内核采用ARM 32-bit Cortex ™-M3 CPU，数据处理位数高达32 bit，具有高达72 MHz 的主频率，支持64 KB的内部存储、6×20 K 的RAM 容量、32 个IO 口，接口丰富支持USB 全速接口、CAN、2 个SPI、2 个I2C 和3 个USART 等，工作环境温度范围-40 ℃～85 ℃，工作电压支持2.0 ～3.6 V 低电压供电，可运行操作系统，基于以上功能特点，使得STM32 微处理器可适用于各种不同和复杂应用场合，整个系统中STM32 除负责对环境传感器数据的解析和处理，还集成了空调遥控指令集对空调系统发送加热、制冷、除湿、加湿等指令进行控制，使实验室环境控制系统和空调系统进行联动控制，STM32F103C8T6 工作时只需要给芯片提供电源、复位电路和外部时钟电路即可，在IO 分配由PB0、PB1、PB3、PB4、PB5、PB6、PB7、PB8、PB9、PB10、PB11 控制12864 的使能脚和数据脚，PA9、PA10 控制ESP8266EX 的UTXD 和URXD 引脚，PA1、PA2、PA3、PA4 控制PM2.5 传感器，PA0 与DHT22 数据引脚相连接，微处理器的控制电路如图2所示。

图2 微处理器控制电路

整个系统的工作流程为系统上电、微处理器程序加载和参数配置、传感器初始化配置，系统初始化完成后，微处理器开始接收传感器上传的环境参数数据，之后对数据进行解析并将结果显示在12864 液晶显示器上供现场人员查看，通过客户端软件设定湿度、湿度和PM2.5 的标准阈值，当传感器实际采集的环境参数变量大于阈值后，将触发空调系统执行对应动作如加湿、除湿、加温、降温等，以此循环维持环境参数在设定的范围内，系统控制流程和算法如图3所示。

图3 控制流程和算法

2.2 温湿度传感器

为了提高对环境变量的测量范围，温湿度传感器模块采取高精度、数字式的DHT22，其由湿度检测电容、NTC热敏电阻和一个8 位单片机构成，可测量的温度范围为-40℃～80 ℃，采集温度的误差小于±0.5 ℃，湿度采集范围为0%～99.9%RH，湿度误差可达到±2 %RH，最小采样周期可以达到2 秒，响应时间最快可在5 秒以内，DHT22的高性能可以适应于绝大部分环境的测量需求，其封装上只有4 个引脚，将Data 脚与微处理器连接，DHT22 每次数据输出为40 bit，其40 bit 数据包含16 bit 湿度数据、16 bit 温度数据以及8 bit 校验和；其初始化是通过微处理器作为主机拉低总线500 μs 后释放总线，延时20 ～40 μs 后主机开始检测从机（DHT22）的响应信号，从机的响应信号是一个80 μs 左右的低电平，随后从机在拉高总线80 μs 左右进入数据传送阶段，为确保传感器数据的正确性采样周期应不小于2 秒，传感器上电1 秒后开始读数据；DHT22在输出数据逻辑表达上70 μs 高电平代表数据“1”，使用26 ～28 μs 的高电平表示数据“0”，每次数据传送输出40 bit 的二进制数据，通过微处理器将数据转换为10 进制，即可实现温湿度数据的输出和显示，无需复杂编程极大的简化了开发过程和周期。

2.3 PM2.5 传感器

PM2.5 是指大气中直径小于或等于2.5 微米的颗粒物，也称为可入肺颗粒物，空气中PM2.5 的含量越高对人体的伤害会越大，实验室的电子设备由于存在大量的静电可对空气中的粉尘进行吸附，尤其是更小颗粒的粉尘，为了精确的检测空气中的颗粒物含量，我们选用北京攀藤科技有限公司的PMS5003S-[180]型传感器，其支持0.3 ～10 μm 颗粒物的检测，可有效检测0 ～500 微克/立方米的颗粒物浓度，可在-20 ℃～+50 ℃温度范围内稳定工作，通信上支持UART标准通信协议，使用时可直接通过RXD、TXD 与微处理器相连接获取数据，颗料物的检测是根据激光散射原理，对空气中悬浮的颗粒物浓度进行检测，同时在特定角度收集散射光，通过米氏散射理论和算法计算出空气中的颗粒物浓度和直径，将颗粒物浓度输出为电信号通过微处理器最终输出数字信号，传感器输出的数据再通过微处理器进行解析，最终输出PM2.5 的具体数值，其工作原理和控制电路如图4所示。

图4 PMS5003S 传感器工作原理

2.4 网络模块

为了实现环境数据在互联网上进行传输，网络模块我们选择由上海乐鑫科技设计开发的ESP8266EX 模块，其为Xtensa® 32-bit LX6 单核处理器，信号发发射频率为免申请频段2.4 GHz，内置TCP/IP 网络协议，支持 802.11 b/g/n/e/i，时钟频率高达160 MHz，+19.5 dBm 天线端输出功率，能确保良好的覆盖范围，在深度睡眠模式下工作电流小于20 μA，并且可以在2 ms 以内被唤醒，因此适用于电池供电的可穿戴电子设备，外设接口包括UART、GPIO、I2S、I2C、SDIO、PWM、ADC 和SPI 等，工作模式支持AP 模式、STA 模式和AP+STA 模式，其内部已集成TCP/IP 网络协议栈和Socket AT 指令直接调用即可，ESP8266EX 已有集成模块，封装接口为8pin 双列排针，在硬件连接和使用时可直接焊接在PCB 主板上，对模块进行3.3 V 供电、将UTXD和URXD 与微处理器连接，即可实现数据的无线传送，使用AT 指令对模块进行参数配置，关键指令为：

2.5 液晶显示器

为了更加全面的显示环境变量信息，液晶显示器的选型上使用经典的12864 型液晶模块，其形态为封装好的液晶模块，IO 口已封装为外接单列排针且内置汉字库，支持显示图形、字母及汉字，在使用时直接焊接在控制主板上，无需其他额外工作，12864液晶模块属于点阵型图形显示器，工作电压范围为3.3 V～+5 V，支持内置字库可直接调用，最大可以显示32个汉字、64 个字母，对于本系统研究的温度、湿度、PM2.5 环境变量信息及日期信息可以足够显示，其为LED 背光驱动显示，在程序配置上和LCD1602 液晶模块相同，使能引脚为E、RS、R/W 按照规定时序即可完成初始化配置，其中DB0 ～DB7 为双向数据引脚，可对数据进行读写操作，其初始化过程为写命令、写数据、设置显示模式、开启显示屏、清屏操作、游标或显示移位控制，四行首地址分别为0X80、0X90、0X88、0X98，在实际控制时需要按显示内容对地址进行偏移，即可将数据显示到对应的坐标上，12864 初始化主代码为：

2.6 电源模块

考虑到后期维护成本及避免废旧电池造成的环境问题，采用电源模块对整个系统进行供电，通过变压绕圈将交流市电220 V 转为DC12 V，再通过三端稳压器LM7805 将电压稳定在5 V，其最大可输出2 A 电流，最大提供10 W 功率，可满足系统的供电需求；由于网络模块ESP8266EX 和微处理器需要有3.3 V 供电，因此还需要通过AMS1117-3.3 稳压器进行降压并稳定输出3.3 V，输出端增加电容对输出电压进行滤波处理，输出端增加发光二极管做为电源指示灯，电源模块为整个系统进行供电，电压转换控制电路原理如图5所示。

图5 电源转换电路

3 数据分析

为了验证传感器数据是否可以正确向微处理器上报数据，借助串口工具对ESP8266EX 模块回传的温湿度及PM2.5 数据进行打印，经过回传数据可以看出，计算机回传数据与液晶显示数据一致，在使用热风枪对传感器加热测试时，输出的温度和湿度信息有相应变化，说明传感器模块输出和配置是正确的，计算机串口打印数据如图6所示。

图6 传感器回传数据

4 结论

本系统通过对STM32F103C8T6 微处理器、传感器和网络模块的算法研究和参数调试，对于硬件和软件应用有了更深的理解，系统成功的实现温湿度和PM2.5传感器数据的远程传输，传感器采集的数据与设置阈值进行对比确定出空调系统最优的工作模式，从而实现对环境变量的精确和自动化控制，同时也节约了电能，提高了对生产和生活场所的环境变量控制效率和准确性，对于改善和控制生产和生活环境有着指导性的意义，特别适用于对温湿度及空气质量有严格要求的实验室、机房等场所，整个系统具有功耗小、运行稳定、数据量小、施工方便和可无限扩展等特点，有很强的现实指导意义。