基于STM32 的室内温湿度及空气质量监测
2023-05-10四川交通职业技术学院信息工程系唐俊涛
四川交通职业技术学院信息工程系 唐俊涛
随着社会的快速发展，建筑物也不断地增多，人们对建筑物的依赖性较强，但往往会忽略室内空气质量的问题。本文以温度、湿度、TVOC、CO2、PM2.5 等5个指标作为监测对象。为了实现室内温湿度及空气质量（TVOC、CO2、PM2.5）的监测及可视化，在硬件方面则以STM32F103RCT6 微控制器为核心、传感器为感知对象、Wi-Fi 模块为物联网的无线传输通道，将传感器采集的数据经STM32 处理后传给Wi-Fi 模块并通过Wi-Fi 模块无线上传至云端或App 端可视化。用户也可以通过App 端或云端实时查看室内温湿度及空气质量（TVOC、CO2、PM2.5）的情况或者修改其极限告警参数，从而实现自动告警的作用。
《2019 中国室内空气污染状况白皮书》指出：室内空气污染严重，不合格比例高达74%[1]。室内环境问题关系到居民身体健康，根据国家“十四五”全面推进健康中国建设，把保障人民健康放在优先发展的战略位置[2]，坚持预防为主的方针，深入实施健康中国行动，完善国民健康促进政策，织牢国家公共卫生防护网，为人民提供全方位全周期健康服务[3]。
为了解室内的环境并进一步探析室内的空气质量状况，本论文以空气净化器的传感器采集过程为分支，对室内温湿度及空气质量的监测进行展开分析，可以实时监测室内的温度、湿度、PM2.5、TVOC、CO2等5 项信息，以明确当前室内的空气质量状况。
1 系统结构及组成
本论文的设计以室内温湿度及空气质量监测为应用场景，实现温湿度及空气质量的采集并无线传输到手机App 端或云端可视化，从而方便人们实时观察室内的温湿度及空气质量的情况。
本设计主要由STM32系统电路、Wi-Fi收发电路、OLED显示电路、PM2.5检测电路、温湿度采集电路、TVOC、CO2传感器电路、电源管理电路等组成，如图1 所示。
图1 总体设计原理图Fig.1 General design schematic diagram
整体工作原理是所有传感器采集数据，主控模块处理传感器采集的数据并将处理好的数据传给无线收发模块，无线收发模块再将主控传来的数据无线传输给智能网关，智能网关再将数据以网络的方式传给手机App 端或云端可视化；用户也可以通过手机App 端或云端向主控发送命令极限监测告警值，当某一项监测参数超过对应极限监测值蜂鸣器鸣叫告警。
主控芯片是STM32F103RCT6，其优点是与51 单片机相比STM32F103RCT6 单片机最多支持5 个串口收发功能，而传统的51 单片机只有1 个串口收发功能；从引脚功能来看STM32F103RCT6 的每一个端口有8 种工作状态，而51单片机则没有这么丰富的功能；从执行的速度来看传统51单片机是很难追赶STM32 单片机的，STM32F103RCT6的执行速度更快且稳定。
2 硬件电路设计
整个电路的绘制使用的是Altium Designer 13 软件设计的，由于整个系统较大，故采用了层次电路设计将整个项目划分成了4 个模块：
（1）电源管理模块：主要由USB 接口、高低频滤波电容、自锁按钮、电源指示灯、5V 转3.3V 降压芯片、二极管、备用电源等组成。其中，USB 接口采用的是Micro USB 数据接口，电源指示灯Power 采用的是LED 发光二极管，SW-SPDT 采用的是自锁按钮开关，5V 转3.3V降压芯片采用的是LM1085IS-3.3 芯片。
（2）采集与显示模块：包括OLED 显示电路、温湿度采集电路、PM2.5 采集电路、TVOC、CO2采集电路。其中，OLED 显示电路由OLED 显示模块、外围上拉电阻构成；温湿度采集电路由HTU21D 芯片、上拉电阻构成；PM2.5 采集电路由ZPH02 模块、3.3V 和5V 串口通信电平转换电路构成；TVOC、CO2采集电路由SGP30 模块构成[4]，如图2 所示。
图2 采集与显示模块电路设计Fig.2 Circuit design of acquisition and display module
（3）处理模块：包括STM32 系统电路、Wi-Fi 收发电路、蜂鸣器报警电路。其中，STM32 系统电路由STM32 F103RCT6 芯片、下拉电阻、晶振电路、复位电路、滤波电路构成；Wi-Fi 收发电路由ESP-01s 模块、复位电路、高低频滤波电路、上拉电阻构成；蜂鸣器电路由无源蜂鸣器、驱动电路构成。
（4）串口调试与下载模块：包括ISP 下载电路、Wi-Fi与STM32 手动切换下载电路、SWD 串口调试电路。其中，ISP 下载电路由CH340G 芯片、晶振电路、3.3V 和5V 串口通信电平转换电路构成；Wi-Fi 与STM32 手动切换下载电路由晶体管、MSS-22D18G2 双排六脚二档滑动开关、电阻构成；SWD 串口调试电路由4PIN 单排弯针构成。
3 主控芯片STM32F103RCT6 电路图
STM32F103RCT6 电路图如图3 所示。
图3 主控芯片STM32F103RCT6 电路图Fig.3 Circuit diagram of main control chip STM32F103RCT6
图3为精简主控芯片电路，主要由R10 和R11 下拉电阻和STM32F103RCT6 芯片构成。其作用是控制整个外围设备的运行或解析外围设备采集的数据，从而实现用户预先设计的功能。
4 系统软件程序设计
系统运行流程图如图4 所示。
图4 系统运行流程图Fig.4 System operation flow chart
本文主要以Keil 5 软件为开发对象，并利用C 语言在Keil 5 软件上为STM32 单片机编写应用程序。FlyMcu软件为STM32 单片机程序烧录的对象，并结合CH340G下载电路将Keil 5 软件编译生成的Hex 文件烧录至STM32 单片机。
5 总结
通过本次设计，利用STM32F103RCT6 微控制器为核心可以实现通过底层传感器采集室内温湿度及TVOC、CO2、PM2.5，并通过处理后进行显示及报警，能及时提醒人们所处环境健康指标，以便实时调整至最优空气质量，最大程度保护了人民的生命健康质量。
