基于STM32的室内空气质量检测系统设计

2017-11-02汤祥虎秦会斌董胜奎

软件导刊 2017年10期

汤祥虎秦会斌董胜奎

摘要：以STM32单片机为控制中心，运用多種传感器，设计了集室内空气质量检测、显示与报警功能的空气质量检测系统。该系统利用传感器对空气中的PM2.5、有害气体、空气温湿度等多种参数进行检测，通过WiFi模块将数据上传到手机等移动设备，空气质量达到警戒线时将触发系统报警。该系统可靠性高、成本低，检测方便快捷。

关键词：STM32；传感器；空气质量检测；WiFi

DOIDOI：10.11907/rjdk.171587

中图分类号：TP319文献标识码：A文章编号：16727800（2017）010013203

0引言

随着经济的高速发展，环境污染问题也越来越严重，尤其是空气污染。2013年 “雾霾”成为年度关键词，更加引发了人们对空气质量的担忧。空气中的污染物主要包括可吸入颗粒、悬浮颗粒物、一氧化碳和二氧化硫等[1]。空气是人类生存的基础，空气质量影响人们的身体健康。空气污染会引发多种疾病，包括呼吸道疾病、慢性支气管炎和慢性肺病等[2]。人们大部分时间在室内，室内空气质量更让人关注，为此，设计了基于STM32的室内空气质量检测系统。系统以STM32为核心控制器，通过多个传感器模块对空气中的一些重要参数进行检测，并通过WiFi模块将检测到的数据上传到手机等移动设备上，人们可随时知晓室内空气质量情况。

1系统总体设计

系统集数据检测、显示与报警于一体，主要包括控制模块、WiFi模块、Android终端设备。

控制模块是整个系统的核心，包括STM32处理器、传感器、供电系统以及报警系统，主要工作是数据的采集，并为系统提供电源[3]。传感器获取空气质量的参数信息，STM32把获得的信息发送给WiFi模块。当参数超过一定值时，STM32控制报警系统报警。

WiFi模块的主要功能是负责无线终端设备接入和数据传输。

Android终端设备包括智能手机、平板电脑等智能终端，它的主要功能是显示室内空气参数，接收用户命令并发送到处理器。

2系统硬件设计

系统硬件设计如图1所示。

2.1控制芯片选择

主控芯片采用意法半导体的STM32F103C8T6，该器件拥有128K字节的闪存和20k字节的SRAM，2个12位的ADC，3个通用16位定时器，1个高级定时器，3个USART接口，1个USB接口，2个SPI接口和1个CAN总线接口。该芯片性价比、可靠性和稳定性高，程序易于移植。

STM32通过控制各种传感器，获得空气质量参数，并将数据发送给WiFi模块。

2.2灰尘传感器

灰尘传感器采用GP2Y1051AU0F[2]，该传感器原理如图2所示。

GP2Y1051AU0F传感器由发光二极管LED和光电子跃迁材料晶体管对角布置，能检测到空气中的灰尘散射光，特别是能有效检测非常细的粒子。该传感器会根据灰尘浓度的不同输出不同的电压值，通过得到的电压值转换为灰尘颗粒浓度。

GP2Y1051AU0F与主控芯片可采用AD采样和串口通信两种方式，本文选择串口进行通信。串口输出值即为灰尘浓度转换后的电压值。灰尘浓度与采集得到的电压值成线性关系，通过电压值很容易得到空气中的灰尘浓度，如图3所示。

2.3有害气体传感器

TGS2602传感器是检测有害气体的传感器，对低浓度有气味气体有很高的灵敏度，如氨气、硫化氢，对低浓度的VOCs（挥发性有机物）也有很高的灵敏度，如甲苯[4]。该传感器由传感芯片和加热器组成。检测气体时，传感器的电导率随空气中的被测气体浓度增加而增加。

TGS2602有加热电压VH和线路电压VC。加热电压加在与传感器集成的加热器上，以保持传感器在一个特定的最佳温度。线路电压用来与负载RL测量电压VOUT，VOUT值随空气中的有害气体浓度的变化而变化，这样得到空气中有害气体的浓度[5]。

2.4温湿度传感器

温湿度传感器DHT11是常用的一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器[6]。该传感器抗干扰能力强、校准精确，具有极高的可靠性和稳定性，电路如图5所示。DHT11采用简化的单总线通信，系统数据传输、控制均由单总线完成。

2.5WiFi模块

WiFi模块选取ATK-ESP8266。该模块是ALIENTEK推出的一款高性能串口-无线模块，采用串口与MCU通信，内置TCP/IP协议栈，能实现串口与WiFi之间的转换。该模块只需简单的串口配置就可传输数据。

3软件设计

3.1MCU控制程序设计

系统启动后，首先初始化。初始化寄存器、中断、定时器与各传感器。初始化后启动各个传感器进行检测，得到的数据发送给WiFi模块，WiFi模块将数据发送到手机等移动设备上。当检测到气体质量严重到一定程度时，触发报警模块报警。程序流程如图6左侧所示。

单片机还要接收移动客户端发来的查询和控制命令。这里通过中断完成，当WiFiI模块接收到来自移动端发来的命令后，通过串口发送到STM32，这时产生一个中断，在中断函数中完成命令，流程如图6右侧所示。

系统主函数部分程序如下：

SysInit（）；

while（1）

{

pm2_5=Get_Data_Pm25（）；

povc=Get_Data_povc（）；

If（Data_is_ok（pm2_5，povc））

Send_data（pm2_5，povc）；

else

Alert（pm2_5，povc）；endprint

Delay（）；

}

在处理中断过程中，要用到嵌套向量中断控制器NVIC。在STM32系统中，抢占式优先级（NVIC_IRQChannelPreemptionPriority）和响应优先级（NVIC_IRQChannelSubPriority）共同构成了一个中断优先级。可通过嵌套中断向量控制器（NVIC）来分配先占优先级和次占优先级数量：

NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure；

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0；

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0

通過上段代码就可将中断的抢占优先级和响应优先级都设置为0。

3.2Android客户端设计

手机客户端程序由登陆模块和通信模块组成。

在登陆模块中使用Android系统提供的SQLite数据库。Android提供了一个名为SQLiteDatabase的类，该类封装了一些操作数据库的API，使用该类可进行数据的添加（Create）、查询（Retrieve）、更新（Update）和删除（Delete）等操作。利用该数据库创建名为“user.db”的代码：openOrCreateDatabase（String path，SQLiteDatabae.CursorFactory factory）。其中path为存放数据库路径，第2项通常置为null。利用Android提供的API可对表和数据方便地操作。

在通信模块，为了实现数据传输，采用Socket通信，它是基于TCP/IP协议的网络通信协议。基于TCP/IP的Socket类型主要有流套接字和数据包套接字。流套接字提供了可靠的字节流服务，在通信之前要先建立连接，速度比较慢。数据报套接字使用UDP协议，面向无连接的数据传输，速度比较快。

客户端工作流程如图7所示。

客户端程序主要代码如下：

socketAddress=new InetSocketAddress（strIP，SERVER_PORT）；

socket = new Socket（）；

socket.connect（socketAddress， SERVER_PORT）；

inputStream = socket.getInputStream（）；

outputStream = socket.getOutputStream（）

该程序创建套接字并连接服务器。其中，strIP是服务器的IP地址，SERVER_PORT是服务器的端口号，连接好后即可与服务器进行通信。

4实验结果

将测试系统放在室内，打开之后通过手机客户端固定间隔时间查看PM2.5浓度和POVC浓度，结果如图8和图9所示。

5结语