基于单片机的室内环境监测与净化系统

汪琪　杨洪涛

【摘 要】为满足对室内空气质量的实时监控，保护人体健康，设计了一种基于单片机的室内环境监测与净化系统。本文以STM32单片机作为核心处理器，利用DHT11温湿度传感器、MQ空气质量传感器及负离子净化器设计了其硬件电路，编制了相应监控软件和手机APP，利用WIFI无线通信技术，实现系统的现场和远程监控与报警。同时通过APP远程控制负离子净化设备，实现对室内环境进行净化，实验结果表明，本文设计的室内环境监测与净化系统性能良好，可精确检测室内环境参数，有效净化室内环境，还具有低成本、高性能、使用方便的特点，具有较好的应用前景。

【关键词】STM32单片机;室内环境;无线通信;远程监控;净化系统

中图分类号： TP216 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）20-0018-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.20.007

1 背景介绍

室内空气质量问题一直关系着人们的身心健康，近年来，有不少学者对环境监测系统进行研究，如文献1设计了一种室内环境智能监控系统，利用温湿度传感器、PM2.5传感器对室内环境进行采样，并反馈给用户。文献2设计了一种基于物联网的室内环境智能监控系统，能够自动采集室内环境数据并进行分析，通过控制空调来实时调整室内环境温度。文献3设计了一种室内环境报警系统，具有对温度、烟雾、可燃气体的监测和数据上传功能，并且具有自动报警功能，也可通过手机进行查询。但以上研究成果大都是仅对温湿度、可燃气体浓度、PM2.5值进行监测，没有实现对环境质量进行改善的，因此本文研究设计了一种基于STM32单片机的室内环境监测与净化系统，采用了传感器列阵结构管理多个不同类型的传感器，利用APP远程监控和WI-FI技术，实现室内环境全面智能化监测和报警，同时采用负离子空气净化设备对空气进行净化、除尘、灭菌，改善室内环境质量。

2 系统工作原理

本文设计的环境监测与净化系统主要由环境监测模块（温湿度检测、室内气体污染物浓度检测）、单片机控制模块、显示模块、空气净化功能模块、WIFI远程监控模块、报警模块组成。环境监测模块中利用相应传感器对当前室内的温湿度、CO等多种气体浓度等环境参数进行采集，数据经单片机处理后在显示模块中进行显示，并通过WIFI模块传送到用户手机APP中，再从APP中读取控制指令发送回单片机，对净化模块进行控制，实现室内环境的净化。同时在APP中可以设定温度、湿度及各种气体浓度的上下限，当检测到的数据值超出界限时，可启动报警蜂鸣器及发送警报信号给APP实现智能报警。

3 系統硬件设计

3.1 环境监测模块

环境监测模块硬件电路原理图如图2所示，其中利用DHT11数字温湿度传感器实时采集温湿度数据。该传感器可实现数字信号输出，其单线制串行接口引脚接单片机的PA5引脚，能够有效、可靠的采集温湿度数据，测温范围为0-50℃，测量精度为±2℃，测量湿度范围为20%-90%RH，测量精度为±5%RH。MQ-9气体传感器可检测一氧化碳、甲烷多种可燃性气体，对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，具有双路信号输出。将传感器模拟量输出通道接入单片机ADC采集接口PA7，将模拟量转变成数字量后，再通过公式换算得出浓度值，可检测一氧化碳浓度范围为10-1000ppm。同时利用GP2Y1010AU0F粉尘传感器检测PM2.5值，其模拟量输出通道接入单片机ADC采集接口PA6，此传感器的输出电压范围为0.9V-3.6V，通过单片机自带ADC采集通道将模拟量转换成数字量后，通过相关公式转换成PM2.5值。当传感器最大电压值为3.6V时，此时测量得到的PM2.5值为510ug/m3，因此检测范围为：0-510ug/m3。

3.2 WIFI模块

WIFI模块硬件电路原理图如图3所示，该模块使用ESP8266串口，TXD引脚接入单片机的PA0-WKUP引脚，RXD引脚接入单片机的PA1引脚，主要用于实现APP的远程控制功能。

3.3 净化模块

该模块使用负离子空气净化装置，如图4（a）所示，通过双电极片之间的电弧将空气中的污染物颗粒击穿并吸附在电极片上，实现空气的净化，其额定工作电压为220V，额定频率为50～60HZ，额定工作电流≤10mA，额定工作电压≤1W，负离子浓度为5.5*106pcs/cm3。净化模块的控制电路原理图如图4（b）所示，由于负离子空气净化装置的额定工作电压为DC12V，单片机无法直接通过IO口对其进行驱动，因此需要额外的电压隔离或继电器对净化装置进行驱动，本设计采用继电器驱动电路实现驱动电压的转换，将单片机IO口输出的5V电压转换成净化装置所需要的12V控制电压，以保证设备的正常运行。单片机引脚输出高点平时，光耦导通，则继电器线圈得电，产生磁性，将触点吸合以驱动净化装置，实现单片机控制净化器装置的工作运行。

4 系统软件设计

本文设计的监控系统软件主要由初始化模块、WIFI模块、环境参数采集模块、AD转换及数据处理模块、负离子空气净化模块组成。

在上电后对各个模块进行初始化，对GPIO接口进行分配。首先进行WIFI配置，配置成功后，由监测模块中的各个传感器对环境参数进行采集，由于系统需要多个传感器同时工作，在单片机系统的软件设计中引进多任务机制，借用单片机的内部定时器中断服务程序作为调度主程序，以产生精确的单位时间片，在定时器中断服务程序中设置一个软件计数器，由计数器的现行值作为各个模块是否执行的依据。AD转换及数据处理模块主要将传感器输出的模拟量转换成数字量，并进行存储，经处理器处理后传输至显示模块进行显示。WIFI模块负责单片机与手机APP之间的通信，用来收发数据。负离子空气净化模块程序通过对比数据进行判断，当采集数据值超出设定范围时，由APP发送控制指令，通过WIFI模块给单片机，单片机进而控制继电器来启动负离子空气净化装置实现净化功能。

软件设计主程序流程图如图5所示，该程序采用模块化编程的方法，对各个功能模块分别编写独立的函数，并对应不同的标志位，主程序通过判断各个模块对应的标志位执行相应的函数，来实现对各个模块的控制。

5 实验结果

按照上述设计方案，将STM32单片机、DHT11传感器、MQ空气质量传感器以及液晶显示器等硬件连接制成实验板，把所编写的程序烧录进单片机内，上电后实际使用所得检测结果如图6所示，空气湿度为81%RH，温度为25℃，PM2.5值为25ug/m3，与传统空气质量监测装置所测得数值相比较，空气湿度相差2%，温度相差1℃，PM2.5值相差为2ug/m3，可以精确检测室内环境参数。

6 总结

本文设计了一种基于单片机的室内环境监测与净化系统，可以实现对室内温湿度、一氧化碳浓度及PM2.5值等相关空气指标进行稳定可靠、精确的监测，让用户实时了解室内空气质量，并具有空气净化功能，用户可通过手机APP远程监控，能够较好地适用于日常室内环境的监测。

图6 实物应用图

【参考文献】

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