基于STM32的室内空气质量智能调节系统

张宇鑫 徐云捷 董文亮

【摘 要】为进一步实现室内空气质量检测装置智能化，在空气质量监测装置的基础上改进并增加智能控制模块，从而实现空气质量的自动调节。本系统采用STM32作为微处理器，集成多种传感器，实现对室内温湿度、甲醛浓度、PM2.5浓度的实时采集和显示，同时微处理器根据检测结果实现对空气净化装置、开窗装置、加湿器的智能控制，保证室内空气质量符合健康要求。

【关键词】STM32;温湿度;甲醛浓度;PM2.5浓度;自动控制

一、前言

近年来，空气污染问题频频发生，同时随着生活水平的显著提升，人们对于自身健康也越来越重视。空气质量品质与人们的身体健康密切相关。据统计，现代人一天有80%的时间是在室内活动[1]。相比于室外，室内空气质量的优劣对人们的健康影响更大，因此人们对智能调节室内空气质量的需求愈来愈迫切。本文设计了一种基于STM32微处理器的室内空气质量智能调节系统，通过集成多种传感器，经微处理器处理，TFTLCD显示屏实时现场显示监测数据，通过蓝牙模块传送至终端APP，并实现对加湿器、空气净化装置、开窗装置等设备的自动控制。

目前对于空气质量监测系统的研究也很广泛，其中文献[1]采用FPGA作为主控器处理传感器采集的温湿度、一氧化碳等信息，通过蓝牙实现与手机APP通信，同时控制步进电机转向来控制风扇、滤网实现室内外空气交换。文献[2]实现对温湿度、PM2.5监测，并利用PWM输出实现风扇转速的多级调节，实现自适应调节室内温度及报警。文献[3]采用ARM设计室内空气质量监测装置，实现对温湿度、PM2.5、甲醛的实时监测显示，并通过WIFI模块传送至手机APP显示。在空气质量检测装置的基础上加以改进优化，实现对空气净化装置、加湿器、空调、开窗器等家用设备的智能控制来优化室内空气质量。

二、系统总体设计

系统主要包括微处理器、各传感器模块、TFTLCD液晶显示模块、电源模块和蓝牙传输模块。系统总体设计框图如图1所示。微处理器是整个系统的核心模块，实现对各传感器所采集到的信号处理计算后并在TFTLCD液晶显示屏上实时显示，同时通过HC-08蓝牙模块与手机端互联，将数据传送至手机终端APP中显示。

三、系统功能及实现

（一）传感器模块

温湿度传感器选用AM2301温湿度传感器，是一款含已校准数字信号输出的温湿度符合传感器，数据传输采用单总线机制，并与一个高性能8位单片机相连，具有超快响应、可靠性、稳定性和很强的抗干扰性能。该传感器温度分辨率8/16bit、湿度分辨率8/16bit，湿度正常测量范围0-99.9%RH，温度为-40-80摄氏度。

甲醛傳感器选用MS1100传感器。该传感器能够检测多种半导体挥发性有机物（VOCs）混合气体，对甲醛最为敏感，对苯、醇类等也会反应，具有极高的灵敏度和稳定性。该传感器为模拟量输出，经过模数模块转换后可得到甲醛浓度。其中甲醛浓度转换公式为：

Log（ppm） = -1.095 + 0.627Uout                                                                     （1）

Log（ppm） = -2.631 + 1.528 Uout + 0.125 U2out                     （2）

其中（1）式为浓度（ppm）与模拟输出电压Uout的一阶等式，（2）式为二阶等式。

PM2.5传感器选用GP2Y1014AU传感器。该传感器内部利用光敏原理，通过成对角分布的红外发光管和光电晶体管来监测空气中的灰尘放射光。其输出模拟电压正比于所测得粉尘浓度，故通过电压值即可计算出空气中的灰尘和烟尘的浓度。根据传感器的输出特性曲线可知：在0-0.5mg/m3范围内，PM2.5浓度转换公式为：DustDensity = 0.17*Uout – 0.1。传感器输出为模拟量，采用ADC0832进行模数转换，其中Uout = ADout * （3.3/4096）。

（二）主控模块

微处理器作为整个系统的核心，负责完成统筹整体、数据计算、控制传输等功能。本次设计选用ST公司的STM32F103ZET6增强型32位单片机，带256K或512K字节闪存和高达64K的SRAM，拥有USB和CAN通信接口、11个定时器、3个12位精度模数转换器、2个I2C接口、5个USART串口接口和112个GPIO接口，外围资源丰富，性能稳定，基本能够满足本次设计需求。相比于传统C51单片机，STM32功能更加强大，资源更加丰富，容量更大，运行速度更快，且性价比更优。

（三）通信模块

本设计选用HG-08蓝牙模块，该模块用于系统与小范围内终端设备的无线通信，通过将单片机输出的串口信号转换为无线信号，与终端设备如手机进行蓝牙互联，从而实现在手机端APP上实时获取系统的检测数据信息。

（四）显示模块

TFTLCD即薄膜晶体管液晶显示器，是一类有源矩阵液晶显示设备，每一个像素由一个集成在像素点后面的薄膜晶体管来驱动，可有效地克服非选通时的串扰，使显示液晶屏的静态特性与扫描线数无关，进而实现高亮度、高对比度、高速的显示信息。其视觉效果好，多尺寸可选的优点能够满足不同用户的需求。同时STM32F103ZET6型单片机，外设IO引脚丰富，基本能够实现驱动液晶屏实时刷新显示数据。故系统选通TFTLCD液晶屏作为现场显示模块。

（五）继电器输出电路

继电器输出电路用于实现对加湿器、开窗器等具有开关特性的家用设备进行开关控制，微处理器通过输出高低电平实现继电器的开断。

（六）红外发射电路

红外发射电路用于实现对空洞、空气净化器等具有遥控特性的家用设备进行开关控制。

四、装置测量结果

用温湿度计成品与该装置系统在不同地点进行同时间测量，得出数据如表1所示。分析数据知，在相同时间，不同室内环境的温湿度、PM2.5、甲醛浓度均不相同，但相同时间地点的测量结果基本相近。

五、室内空气质量智能调节

（一）温湿度调节

室内空气温湿度对人体舒适度起着很重要的作用。当环境温度为18-25℃，相对湿度在40%-70%时，人体感觉最为舒适。[4] 若环境温湿度指标未达到人体舒适度指标，微处理器发出控制信号，控制继电器电路控制加湿器、开窗装置工作或控制红外发射电路来启动空调工作，直至室内空氣温湿度符合人体最佳舒适度。

（二）甲醛浓度和PM2.5浓度调节

依据我国《居室空气中甲醛的卫生标准》规定，居室空气中的甲醛的最高容许浓度为0.08mg/m3。[5]按照我国《环境空气质量标准》规定，PM2.5浓度在24小时内的二级（居住区、文化区等）浓度限制的平均浓度最高值为75μg/m3。根据上述指标分别设定相应的界限值，若室内空气中甲醛含量或PM2.5含量超过人体健康标准，将启动蜂鸣器报警，同时向用户终端APP发送警告信息。同时微处理器发出控制信号，控制红外发射电路来启动空气净化器工作，直至室内空气质量水平达到要求。

六、结语

本文设计的基于STM32的室内空气质量智能调节系统，能够检测室内环境温湿度、甲醛浓度、PM2.5浓度，通过显示屏进行实时显示并通过蓝牙模块发送至手机终端APP中显示，同时根据各项空气指标是否达标，系统根据预先设定的控制策略对空调、加湿器、开窗器、空气净化器等进行智能控制，从而保持室内空气质量符合人体健康标准。本设计具有良好的智能化、稳定性、灵敏性及实用性，精度高，在智能家居领域具有一定的应用价值。

【参考文献】

[1]范瑾.FPGA的室内空气质量检测与调节系统[J].中国高新区，2017（21）：16.

[2]韦海成，王淼军，魏鑫，舒胜.基于STM32的室内空气质量监测自适应调节系统[J].现代电子技术，2016，39（08）：130-134+137.

[3]万丽娟，刘颖，李冲，张忠祥.基于STM32的室内空气质量监测系统设计[J].合肥师范学院学报，2017，35（03）：15-18.

[4]方敏艳. 浅析空气舒适度之温湿平衡[A]. 福建省制冷学会.2015年福建省暖通空调制冷学术年会论文集[C].福建省制冷学会：福建省制冷学会，2015：5.

[5]马洪涛.室内空气质量安全对人体健康的影响[J].决策探索（中），2019（05）：8-9.

[6]雷婧，王莹.室内空气污染防治对策[J].居舍，2017（36）：149-150.

[7]杨长业，边煜，石汉青，曾培培.基于STM32的室内空气质量检测系统设计[J].气象水文海洋仪器，2016，33（03）：63-66.

[8]王志强，王直.基于STM32室内空气质量检测系统硬件设计[J].电子设计工程，2017，25（09）：108-112.

[9]曹龙.基于STM32的室内PM2.5检测系统的设计[J].电子世界，2016（17）：108.