智能家庭环境因子监控系统设计

梁东云，吴晓云

（商洛学院 健康管理学院，陕西商洛 726000）

随着科学技术飞速发展，人们的生活水平越来越高，居家环境的安全与舒适度越来越受到人们重视[1]，天然气的浓度大小影响安全，空气质量及空气温湿度影响舒适度。根据需要设计了这款家庭环境因子监控系统。有关家居环境研究的设计和产品市场上也有不少，但大部分设计和产品都是围绕天然气的浓度测试而设计开发的[2]。传感器技术在环境监测方面的应用[3-4]、通信技术在远程控制的作用[5-6]、互联网等技术的发展也为本设计提供了可能[7-8]。本设计将传感器、通信、互联网三者结合起来，设计一款集天然气浓度和空气温湿度的测试于一体的产品，它具有检测精度高和信号传输稳定的特点，且能实现远距离控制。智能家庭环境因子监控系统，采用STM32F103作为微处理器，控制各个传感器采集电路、OLCD显示电路和WIFI无线通信模块电路。利用APP上位机实现远程监控室内空气质量参数，通过SWEETIME32单片机控制系统实现室内环境因子的智能控制。

1 系统设计方案

智能家居控制系统以SWEETIME32单片机为控制核心[9-10]，将传感器采集的数据输送到SWEETIME32处理中心，数据处理后分别反馈到显示屏和远程手机终端，系统分为自动和手动两种模式控制空调和风扇的开关。主人在家可以直接手动处理，不在家可以通过手机远程处理，远程处理过程是：系统通过手机APP进行远程控制，采用温湿度传感器、可燃气体传感器、空气质量传感器、风扇和家用空调电器负责实时监测并改善室内空气环境。手机发出指令，通过WIFI信号系统指挥SWEETIME32单片机启动继电器，继电器控制风扇和空调的开关[11-12]，从而实现室内空气质量的监控。系统整体框如图1所示。

图1 系统整体框图

2 硬件电路设计

2.1 信号采集模块

2.1.1 空气质量采集

MQ135气体传感器使用电导率较低的二氧化锡作为气敏材料。当二氧化锡遇到可燃气体时，传感器的电导率与空气可燃气体浓度大小成正比关系。传感器将气体浓度信号转变成电压信号，DO引脚连接主控制系统的AO引脚，传输模拟信号至AD转换器，旋转换成数字信号使主系统识别。电路图如图2所示。

图2 MQ135电路图

2.1.2 可燃气体浓度采集

MQ5可燃气体传感器是电阻性传感器，其电导率随空气中可燃烧气体浓度的增加而增大。该传感器电压为5.0 V时，清洗传感器上附着的杂质持续60 s，随后电压降为1.5 V，对空气中的可燃烧气体浓度进行检测，持续时间为90 s，因此该传感器检测用时150 s。电路原理图如图3所示。

图3 MQ5电路图

2.1.3 温湿度采集

DHT11的供电电压为3～5.5 V。传感器上电后，要等待1 s穿过不稳定状态，在此期间无需发送任何指令。数据端口上连接着一个10 K的上拉电阻，当主控制器处于待机状态或者未使用状态时，一直使数据终端电压状态保持在高电平状态[13]。在实际使用中，数据采集只需要将DOUT终端连接到MCU的I/O端口。电路原理图如图4所示。

图4 DHT11电路图

2.2 信号传输模块

通过将无线模块接入主控制系统，使主控制系统具备与云服务器和手机终端通信能力，把空气质量传感器、可燃气体传感器、温湿度传感器获取的参数发送到显示屏和手机端[14]。将WRX引脚连接主控制系统的A8引脚用来发送指令，WTX引脚连接A4引脚是接收主控制系统反馈的信息，在电源与地引脚之间增加一个100 μf的电容，用以去耦滤波。电路图如图5所示。

图5 WIFI模块电路图

2.3 控制电路

在设计系统中，加入了排气扇和空调来调节室内环境，用继电器控制这些电器进行工作。在设计电路中，选用NPN晶体管驱动，当晶体管被输入高电平时，晶体管就会饱和导通，集电极变成了低电平，继电器线圈接通，触电R31吸合。当晶体管被输入低电平时，晶体管就会中断，继电器线圈断电，触电R31断开。通过吸合、断开在电路中达到通、断电[15]。电路原理图如图6所示。

图6 继电器控制电路

3 软件设计

整个系统分为手动和自动两种模式，在自动模式下，主控制系统接收传感器发送过来的数据，判断室内环境参数是否超过设定的阈值。若达到阈值，便启动报警模式，蜂鸣器报警，发送信息至手机端，启动排气扇，使用者及时处理突发情况。在手动模式下，用户通过上位机对系统进行控制，并且可以控制空调开关使客户回家就可以感受到适宜的环境[16-17]。总体设计流程图如图7所示。

图7 总设计流程图

4 系统功能测试

用户通过手机APP下发指令，指令由云服务器传输到系统控制端，通过控制对象就可以对室内空气质量进行调节。温湿度传感器、空气质量传感器、可燃气体传感器将采集到的室内空气质量数据通过系统硬件OLCD显示屏和WIFI模块传输到APP端进行显示。图8和图9分别为OLCD和APP显示空气质量实时监测数据。

图8 系统测试图

图9 手机APP显示

5 结论

本文设计的家庭环境因子监控系统是以STM32为核心，采用DHT11数字芯片对温湿度、可燃气体传感器和空气质量传感器进行实时监测，实现对空气质量的检测，并根据阈值做出相应声光的报警。该智能环境监控系统是一款低成本、低功耗、使用方便的居家系统。