基于无线通信的多功能室内环境检测系统设计

2020-07-20邵英淼李晶晶马丽娜

无线互联科技 2020年9期

邵英淼，李晶晶，马丽娜，王楠，高瑞

（沈阳城市建设学院，辽宁沈阳 110167）

现阶段，室内空气质量被人们越来越多地关注，在无线通信技术飞速发展的今天，人们也在考虑将该技术应用到空气质量的检测领域当中，实现监测、控制、改善的目的，以降低空气污染对人体健康的损害。

本系统采用STM32F103单片机作为主控部件，通过各个传感器，比如温度传感器、湿度传感器等相互结合的检测方式，对室内可吸入颗粒物质量浓度、温度、相对湿度等进行实时检测和智能调控，可实时监测各种空气质量指标，具有抗干扰能力强、低功耗、便携式、智能化等特点[1-2]。

1 系统硬件设计

本系统抗干扰能力强，可以实现室内空气质量检测、动态监控、指标显示等功能，具有功耗低、便携、智能等优点。整个系统设计框架如图1所示。硬件设计与软件设计是由基于无线通信的多功能室内环境检测系统的两大核心组成。

在硬件设计中，主要涉及微控制器核心模块、电源模块、蓝牙模块、空气质量检测模块、全球移动通信系统（Global System for Mobile Communication，GSM）无线通信模块、液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD）显示模块、按键控制模块和语音预警模块的设计。其中，按键控制模块负责完成数据信息的输入及显示结果的输出，比较重要的数据信息包括CH2O和PM2.5等。在实际的数据信息超过预设值时，会触发报警装置，以声音的形式提醒使用者室内空气质量存在不足，并通过LCD显示模块显示。最后，可以使用GSM通信模块，以短消息的形式将空气质量的相关情况发送到使用者的移动终端设备，形成智能联动。

1.1 微控制器核心模块

本模块采用STM32F103嵌入式控制芯片为核心控制装置，以控制各个系统模块的协调工作。首先，控制传感器装置收集温湿度及CH2O，PM2.5等的质量浓度信号；其次，通过放大电路和模拟/数字（Analog/Digital，A/D）转换将收集到的信号进行转换[1]。装置将其发送到单片机，然后单片机做出决定并发出相应的指令来显示、报警和控制房间的空气质量。

图1 整个系统设计框架

1.2 无线通信模块

无线通信模块的核心技术是GSM技术，也是当前移动通信系统中最成熟、使用最广泛的技术[2]。GSM模块具有基于GSM网络所有通信的基本功能，例如，发送短信息服务（Short Message Service，SMS）文本消息、语音呼叫、GPRS数据传输。

无线通信模块使用德国西门子工业GSM模块TC35i，是支持中文短消息的工业级GSM模块，适用于EGSM900和GSM1800双频。电流消耗：休眠状态为3.5 mA，空闲状态为25 mA，传输状态为300 mA（平均值），峰值2.5 A；可以使用GSM通信模块，以短消息的形式将空气质量的相关情况发送到使用者的移动终端设备，形成智能联动。

1.3 室内环境检测模块

该模块由3部分组成：温湿度检测电路、CH2O质量浓度检测电路和PM2.5检测电路。其中，温湿度检测基于以单总线技术为核心的DHT11传感器，无需外部A/D转换模块，可以同时传输时钟信号和数据的双向信号线[3]。

CH2O质量浓度检测电路使用TP-4型常温气体传感器。清洁空气不同温湿度状态下的电阻值Rs，是传感器判断污染程度的重要依据，尤其是对低质量浓度的空气污染物最为敏感[4]。

PM2.5检测电路使用Sharp公司的GP2Y10AU0F灰尘传感器。主要工作原理是非接触式测量，技术核心为光测量技术，检测对象为烟草、花粉和粉尘的质量浓度，具有使用成本低、抗干扰能力强、功率低、效能高的特点。

1.4 蓝牙2.4 G模块

蓝牙2.4 G模块选用深圳市蓝嵌科技有限公司的CC2541蓝牙模块，内置256 Kbyte可插除存储器，能提供编程输入/输出（Programming Input/Output，PIO）模型、通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）、串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）、通用串行总线输出Universal Serial Bus，USB）接口工作频段2.402～2.480 GHz，接受灵敏度达到-88 dB，最大可达-94 dB[5]。STM32F103系统通过蓝牙模块与主机通信。主机能实时显示测量数据，并通过液晶显示器显示出来。

2 系统软件设计

软件部分主要使用Keil软件进行C语言编程。系统主程序运行在STM32F103最小系统中。使用时，先初始化设备，以完成参数的设定，随后再对各个功能模块的功能函数进行调试，最终要实现能够进行数据信息的采集、分析、输出、预警以及信息互联的智能化功能。

当传感器能够正常工作后，初始化程序会启动，如果无法正常启动，则传感器会显示错误信号。如果正常，则STM32F103单片机读取每个传感器的数据信号并进行数据处理，确定是否超过预设阈值。超过阈值会进行报警，报警内容会通过GSM无线通信模块发送到使用者的移动终端设备，而且发送的内容会被显示和储存到程序当中，为以后进行系统扩展保留数据支持。当流程完成后，系统将会进行下一个流程，这是一个反复的过程。系统软件流程如图2所示。