基于STM32的室内空气质量监测系统设计

万丽娟，刘 颖，李 冲，张忠祥

(合肥师范学院 电子信息工程学院， 安徽 合肥 230061)



基于STM32的室内空气质量监测系统设计

万丽娟，刘 颖，李 冲，张忠祥

(合肥师范学院 电子信息工程学院， 安徽 合肥 230061)

为了实时获取室内空气质量信息，系统集成多种传感器进行实时监测，监测数据通过无线网络发送至ARM微处理器。数据通过服务器发送至用户终端APP，用户通过屏幕获取实时空气质量信息，提高了系统的实用性。通过多地、多次和多项指标的室内空气测量，证实该系统具有获取数据快速、测量准确、性能稳定可靠等特点，具有一定的使用和推广价值。

STM32；温湿度；PM2.5；甲醛浓度；APP终端显示

空气质量与健康密切相关。近年来，各大城市的雾霾天气严重影响到人们的生活，室外空气质量的下降更是让人们不得不重视对室内空气质量的监测。目前市场上的空气质量监测产品以针对单一参数指标的研究居多，例如温度、湿度、甲醛等的监测；[1-4]另外，对其中一至两种指标集成进行研究也有报道，但是它们存在实用性不高且测量不准等缺陷。本文设计了一种基于STM32微处理器的室内空气质量监测系统，通过集成多种传感器，通过无线模块实时传送数据至ARM微处理器处理，数据传送模块能够将现场TFT屏实时显示数据发送至用户终端APP，能同时实现多项空气质量指标的实时监测。

1 系统的结构框图

系统主要由采样模块、ARM微处理器、无线传输模块、TFT显示模块组成，如图1所示。系统选用ST公司STM32的增强型系列STM32F103ZET6做处理器，该系列最高工作频率可达72MHZ，能实现高速运算。[5]ARM微控制器是系统的核心部件，它控制着整个系统的工作流程。首先，STM32微处理器向采样模块发出信号，采样模块进行数据采集，所采集的数据由微处理器进行处理，然后实现(1)TFT液晶模块现场显示；(2)由无线模块通过WIFI网络将数据发送至用户终端APP；(3)系统监测到某一指标超标将自动报警。

图1 系统结构框图

2 系统功能的设计和实现

2.1 采样模块

采样模块集成温湿度传感器、灰尘传感器、甲醛传感器三种传感器，由各传感器采集信号并转变为电信号发送至STM32微处理器。系统采用AM2320温湿度复合型传感器，该传感器采用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，内含一个电容式感湿元件和一个高精度集成测温元件，并与高性能的8位单片机相连，因此AM2302温湿度传感器具有超快响应、可靠性、稳定性和很强的抗干扰性能。小型电化学甲醛模组 ZE08-CH2O利用电化学原理对空气中存在的CH2O进行探测，具有良好的选择性、稳定性。该模块内置温度传感器，可进行温度补偿，同时具有数字电压(串行输出)与模拟输出。[3]激光PM2.5传感器PMS1003采用光电元件作为检测元件把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号，根据电信号的变化就可以间接得到被测量的大小。[4]该传感器响应时间短，可测量范围广，计数效率高，受温湿度等环境条件影响较小，所采集数据可通过UART输出至STM32微处理器。各传感器模块所采集到的原始数据由STM32微处理器通过NRF24L01发送至中控模块。系统采样模块如图1所示，图1a为PM2.5灰尘检测模块，图1b为温湿度传感器与甲醛检测传感器，皆放置于系统主控板背面。

图1a PM2.5灰尘检测模块

图1b 温湿度传感器、甲醛检测传感器

2.2 中控模块

中控模块是整个系统的核心，内置NRF24L01无线模块、WIFI模块、蜂鸣器、TFT显示模块。由NRF24L01无线模块接收来自采样模块的数据，STM32微处理器将对数据进行处理。STM32微处理器分别将温湿度两个寄存器的高八位数据和低八位数据进行合并，得到有效的温湿度数字信息。PM2.5传感器和甲醛传感器的输出数据有固定格式，通过解析和对比固定格式的数据可提取有效的数字信息。

人体正常体温稳定在36.5-37℃，当气温为28℃时，人体处于热平衡状态，皮肤温度为34℃，感觉最为舒适。[6]调查显示环境湿度为40%-60%时人体感觉较为舒适。PM2.5中细小的颗粒物携带着潜在的过敏源，很容易深入到肺部呼吸树里面，更易引起呼吸疾病,及时检测家中颗粒悬浮物很有意义。[7]参照国家的《环境空气质量标准》，PM2.5在24小时内的二级浓度限值的平均浓度最高值为75ug/m3。[8]中华人民共和国国家标准《居室空气中甲醛的卫生标准》规定：居室空气中甲醛的最高容许浓度为0.08 mg/m3。[9]如果系统检测到室内空气中甲醛含量或颗粒物含量超过预设标准，将会通过蜂鸣器、显示屏、APP推送消息等多种方式告知用户。

2.3 数据传送模块

本系统选用NORDIC公司的融合了高速、低功耗、低成本的2Mb/s工业级嵌入式2.4GHz无线收发芯片NRF24L01。[10]该芯片具有增强型的ShockBurst功能，集成了双向通信所需要的链路层，通常需要一个高速的MCU和较大的RAM。[11]系统选用一款低成本WIFI-MCU，型号为ESP8266-14的通讯/控制模块，该模块内置有STM8003单片机和WIFI通讯IC，体积小巧且信号稳定，通过AT指令进行控制，[12]具有透传和AP基站等功能。系统在采集、处理数据后通过ESP8266无线传输将数据传送至外网的TCP服务器，手机或PC端通过TCP服务器接收数据，从而实现远程监控。

系统采用无线传送方式，包括(1)采样模块使用NRF24L01向中控模块传送原始的数据；(2)中控模块通过WIFI网络将实时空气质量信息传送至终端。

2.3.1 现场显示

TFT液晶屏是一类有源矩阵液晶显示设备，每个液晶像素点都是由集成在像素点后面的薄膜晶体管来驱动，从而可以达到高速度、高亮度、高对比度显示屏幕信息。微控制器STM32F103ZET6的可用引脚丰富，基本实现IO资源的合理利用并确保显示刷新速度。系统选用TFT液晶屏作为现场显示器件，通过并行信号线传输、显示数据，系统主控界面如图2所示。在系统主控界面的左侧为STM32F103ZET6核心板，右侧放置WIFI模块，中间为TFT现场显示模块。用户设置待机时间后现场显示模块可自动进入待机状态。

图2 主控界面

2.3.2 无线终端显示

现场显示受到了空间限制，为方便用户使用，系统检测数据由WIFI网络发送至APP终端。中控模块中WIFI模块通过服务器将数据发送至APP终端，实现远程实时监测。终端APP界面如图3所示，界面中有终端APP所连接的服务器IP地址和端口信息、终端收到的数据信息和工具栏。

图3 终端APP界面

3 软件流程设计

3.1 系统流程图

系统涉及多个传感器模块与数据传输模块，对实时性、可靠性要求较高，因此在可靠的硬件基础上需要完整合理的软件算法流程，流程图如图4所示。

图4 软件流程图

3.2 终端数据处理

由传感器采集的数据在终端处理器中进行数据包的解析，PM2.5传感器包协议第一位和第二位固定为0x42、0x4D，甲醛传感器包协议首位固定为0xFF，在固定位后的固定位置即为要采集的数据。

数据采集完成并校验成功后可进行下一步处理。空气质量指数(Air Quality Index，简称AQI)是定量描述空气质量状况的无量纲指数。根据《中华人民共和国国家环境保护标准》(HJ663-2012)关于AQI的规定编写计算AQI的程序，本系统AQI仅与PM2.5有关。

4 实验结果

用购买的温湿度计成品与本系统多次在校园内不同地点同时测量，所得数据如表1，表中“测量值”为系统测量值，“实测值”为温湿度计测量值与天气网实时监测的PM2.5值。考虑到成品温湿度计有一定的误差，在室外进行了多次测量、记录得表2数据。表1、表2为随机选取的两次测量数值。

分析多次测量数据，同一时间段内在不同室内环境下的温湿度测量值有一定差异，但同一时刻同一环境下系统测量值与成品温湿度计所测温度值相近，湿度值误差约为5-8%RH。PM2.5值在相对封闭的室内比较稳定，实训基地由于人多物杂而导致PM2.5值略高，男生寝室靠近学校操场和小树林，因此PM2.5值为同时间段内最高。在刚装修或木质用品较多的室内如男生寝室和艺术楼，甲醛含量略高，但都在国家标准容许范围内。

对比分析表2中室外实时天气预报值与系统测量值，系统在室外测量的温度值与天气预报值略有误差，湿度值基本相同。同一时间段内在室外测量的PM2.5值与网络播报值相近。通风良好的室外甲醛值低于室内环境，因此相对封闭的室内环境需要多通风。

实验结果显示，该系统监测状态趋于稳定，监测数据较准确。

5 结论

本文设计了一种室内空气质量实时监测系统，通过对空气中的温湿度、PM2.5和甲醛的实时监测结果分析，表明该系统检测数据快速、准确、稳定、可靠，且具有人机界面友好等特点，具有非常好的使用价值和推广价值。

表1 系统测量值与实测值对比表

表2 系统测量值与天气预报值对比表(室外)

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[12] 陈焕，范淇元，庞权海，等.基于Wi-Fi协议的人体多生理信息采集与监控系统的设计与实现[J].科学中国人.2015(33):70.

Design of the Indoor Air Quality Monitoring System Based on STM32

WAN Lijuan, LIU Ying, LI Chong, ZHONG Zhongxiang

(SchoolofElectronicsandInformationEngineering,HefeiNormalUniversity,Hefei230601,China)

In order to obtain real-time information of indoor air quality, the system consisted of the integration of multiple sensors sent monitoring data to the ARM microprocessor via wireless network. When data were sent to the user of the terminal APP by the server, users can get real-time air quality information only through the screen, which improves the practicability of the system. Through multiple places, many times, and a number of indicators of the indoor air measurement, it is proved that the system has many advantages, such as getting data rapid, accurate measurement and reliable performance etc., and has a certain use and popularization value.

STM32; temperature and humidity; PM2.5; formaldehyde concentration; APP terminal display

2017-02-18

该研究获“2014年省教育厅重点项目(KJ2014A204) ”、“2011年院级基地项目(2011jd08)”和“2011年院级人才科研启动基金(2011rcjj02)”支持。

万丽娟(1980-)，女，合肥师范学院，博士，主要从事微纳电子器件的研究。

TN925

A

1674-2273(2017)03-0015-04