智能家居空气质量测试系统的设计

文/樊龙辉 刘瑞涛 王树庆

1 引言

在智能家居系统中，除了中央控制单元外，一般包含多个智能设备，像空调、空气净化器、加湿器、消防和厨房家电等，但是室内环境质量的判定，需要有测试空气质量的设备以测试的数据作为判断依据，本文讲述是基于STM32控制器的室内空气的测试系统的设计。包括VOC有害气体浓度、灰尘浓度、温度和湿度等测量方法的硬件设计。

2 总体设计

2.1 系统设计要求

根据智能家居的需求，室内空气质量的分析应该包括日常的温度和湿度测量，危害人体较为严重的甲醛、一氧化碳、烷类、苯类等有害气体的测量，还包括室内和PM2.5粉尘浓度等测量项目，通过这些测量项目可以充分了解家居环境的空气质量，也可为家庭中消灭初期火灾、天然气泄漏等提供重要的数据参考和依据。

2.2 系统设计思路

根据系统设计要求，本文主要解决系统硬件电路的设计。包括采集数据的灰尘传感器、VOC有害气体传感器、温湿度传感器、A/D转换电路、控制和数据处理、接口电路、显示和键盘电路等等。对于传感器的选择，目前市场上品类很多，以高性价比为主；控制和数据处理采用控制器STM32F103R8T6，该芯片内包含12位A/D转换器、时间模块、多个定时器和中断等丰富的必用资源，性价比较高。

3 传感器模组

3.1 灰尘传感器

采用夏普光学灰尘浓度传感器(GP2Y1014QU0F)，此传感器内部成对角分布的红外发光管和光电晶体管，利用光敏原理来工作。能测量PM2.5灰尘浓度和其他大颗粒粉尘。依靠输出的脉冲高度来判断颗粒浓度。

灰尘传感器工作原理如图1所示，电阻R31为限流电阻，三极管Q11采用C1815增加对传感器3脚的驱动能力，供电电压通过电阻R30为内部发光管提供电压，电解电容C6存储电能使1脚电压保持稳定，传感器5脚输出和灰尘浓度成正比的脉冲电压，电阻R31和R32为分压电阻，保持合适电压范围提供给STM32控制器的A/D输入端。

3.2 温湿度传感器

采用DHT11 数字温湿度传感器，它是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个 NTC 测温元件，并与一个高性能 8 位单片机相连接。每个 DHT11 传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在 OTP 内存中。在20℃附近误差0.5℃，湿度误差±3%RH。

工作原理如图2所示，此传感器采用+3.3V供电，使其输出数据电平兼容STM32芯片的数据电平，2脚为数据输出引脚，连接至主控制器I/O端口，电阻R1为上拉电阻，在空闲状态时使数据端保持高电平。3脚为空，4脚接地。

3.3 VCO有害气体传感器

采用KQ-2801气味传感器来实现的，本传感器是一款广谱气体传感器，对许多微量的还原气体(或微毒性气体分子)非常灵敏，这些气体分子类型包括氨气、氢气、酒精、一氧化碳、甲烷、甲醛、丙烷、甘烷、苯乙烯、丙二醇、酚、甲苯、乙苯、二甲苯等有机挥发气体、木材、纸张燃烧烟雾等。

气体传感器工作原理如图3所示，传感器的1脚为5V内部加热端，2脚为地，3脚为传感器供电端，4脚为传感器模拟电压输出端，电阻R38和电位器RP1为负载电阻，调整电位器RP1的电阻可以校准气体传感器的输出准确度，电阻R39和R40为分压电阻，保持合适电压范围提供给STM32控制器的A/D输入端。

4 系统设计

图4为室内空气质量测试系统整机方框图。控制器STM32F103R8T6为设备的控制核心，通过灰尘传感器、VOC有害气体传感器和温湿度传感器等采集模拟或者数字信号传送至主控制器，经过A/D转换或者数据接收等提供空气质量的原始数据，然后控制器对这些数据进行分析、处理和校准；控制器控制不同颜色的LED和蜂鸣器作为报警电路，当空气质量变化时，通过LED的不同发光色彩来提醒，当空气中VOC有害气体和灰尘浓度都变化较大时，作为灾情启动蜂鸣器报警；控制器通过串口把数据输出至显示键盘模块，LED数码管显示当前空气的灰尘浓度、VOC有害气体浓度和温湿度等，作为日常观测用；控制器通过USB口与外部系统相连，及时把测试数据传送至其他系统，作为室内空气质量改善或者初期灾情判断的依据。

图1：灰尘传感器工作原理图

本系统中灰尘浓度的采集是实现的难点，工作时序如图5，首先需要控制器通过定时器产生周期10ms、脉宽为0.32ms的脉冲信号，一路脉冲信号返回到控制器的外部中断引脚，触发控制器产生0.28ms定时；另一路输入至灰尘传感器、使传感器内部的红外发光管点亮。灰尘传感器检测电路对周围环境中的PM2.5的浓度值数据进行采集，输出幅度和灰尘浓度成正比的脉冲式电压信号，控制器在外部中断触发0.28ms后立即启动A/D转换器进行信号采集，将输出电压峰值及时转为数字量，并将数据传送给控制器数据处理中心，由微控制器对数据进行处理分析。

温湿度传感器采用单线制串行接口与控制器端口相连，信号传输距离可达 20 米以上。一次通讯时间4ms左右,一次完整的数据传输为40bit,高位先出，通讯过程如图6所示。

总线空闲状态为高电平,控制器把总线拉低等待DHT11响应, 控制器把总线拉低必须大于18毫秒,保证DHT11能检测到起始信号。DHT11接收到控制器的开始信号后,等待控制器开始信号结束,然后发送80us低电平响应信号.控制器发送开始信号结束后,延时等待20～40us后, 读取DHT11的响应信号, 控制器发送开始信号后,可以切换到输入模式,或者输出高电平均可,总线由上拉电阻拉高。总线为低电平,说明DHT11发送响应信号,DHT11发送响应信号后,再把总线拉高80us,准备发送数据,每一bit数据都以50us低电平时隙开始,高电平的长短定了数据位是0还是1，当最后一bit数据传送完毕后，DHT11拉低总线50us,随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态，一组数据传输完毕。

图3：VOC气体传感器工作原理图

VOC有害气体传感器输出信号为模拟电压，连接到控制器的A/D模拟信号输入端，输出的模拟电压与空气中有害气体浓度成正比，控制器启动A/D转换后，把模拟电压转换为数字信号，作为有害气体的原始数据。

显示键盘驱动采用集成电路TM1628，它是一种带键盘扫描接口的LED驱动控制专用电路，最多支持7位LED数码管，具有8级辉度调节，通过串行接口（CLK，STB，DIO）与控制器进行通信。

5 结果分析

图4：空气质量测试系统方框图

图5：灰尘传感器工作时序图

图6：温湿度传感器单线串口工作时序图

图7：正反面实物图

为了检查系统的工作情况和测量结果，我们设计和制作本系统，图7为制作实物图，使用KEIL UV5编程环境编写了测试程序，并进行了调试和测量，灰尘浓度、VOC有害气体浓度和温湿度都能准确的显示出来，与预想的结果相一致。在试验过程中，通过比对其他设备，温湿度的显示数值准确一致；然后把点燃的香烟或者纸条产生的少量烟雾穿过灰尘传感器的通风口，灰尘浓度数值立刻向上增长，当烟雾消失后数值恢复到原来数值附近；同样我们把酒精等挥发性有害的气体的瓶口打开，并少量喷洒地面后，VOC的显示数值同样显著向上增长，实践证实，本次设计的系统工作状态良好，得到了直观的空气质量测试效果。

6 总结

智能家居本身建设的目的就是为了给人们提供安全、舒适、便捷的生活环境，但是由于目前的智能化家居系统在多个方面显现出许多不足之处，本文通过智能家居中空气质量的测试系统的设计，可以对智能家居的发展起到一定程度的完善。该方案运用的多功能单片机控制技术、多类型传感器和接口技术，充分融入到智能家居系统之中，使其组成更大的智能化系统平台。