多参数空气质量检测系统设计与实现

杨娜

摘要：针对空气质量监测问题，文章提出一种基于STM32的多参数环境监测系统。该系统用STM32F103作为主控芯片，并由温湿度传感器模块、PM2.5模块、气体检测模块、数据显示模块、无线通信模块、云平台数据上传模块和手机端数据显示模块构成，基于I2C协议、串口传输、PWM脉冲捕获、模数转换等方法实现数据检测、处理及传输功能。试验结果表明，该系统能够准确检测空气中的温度、湿度、PM2.5、一氧化碳、二氧化氮5种参数的变化数据，并将监测数据实时显示在检测终端、手机端和电脑端，具有实时监测多参数和远程监控的特点。

关键词：多参数；传感器；空气质量；WiFi；I2C

中图分类号：TN911文献标志码：A

0 引言

空气质量的好坏根据空气中所含污染物的含量高低来判断，当空气污染程度过大时，将会对人身体造成无法预测的伤害。因此空气污染被称为危害人们健康的“隐形杀手”［1-3］。近年来，空气质量日益受到普遍关注，人们对实时的、便携的空气质量检测的需求越來越大［4-5］。本文针对空气质量检测的实时性、便携性的功能需求，设计了一款小型多参数空气质量监测系统，结合嵌入式技术、WiFi无线通信技术和传感技术［6］，实时监测大气中的温度、湿度、PM2.5、一氧化碳、二氧化氮，并且能够将检测到的数据传到用户终端，便于及时查看当前空气质量状况。

1 系统架构

分别采用相应的不同传感器进行数据采集，经主控芯片STM32对采集到的数据进行处理后，在终端设备上显示所检测到的数据，并采用无线模块将采集到的数据上传到ESLINK云平台，数据在ESLINK云平台上可以通过电脑或者手机进行查看，OLED显示模块辅助显示［7-8］。系统总结构如图1所示。

2 基于STM32的多参数环境监测系统设计

2.1 硬件设计

硬件部分包括STM32F103主控模块、传感器模块、复位电路模块、晶振电路模块、数据显示模块和无线通信模块，系统结构如图2所示。

2.2 主控模块

采用基于ARM-Cortex M3核的STM32F103RBT6单片机作为主控制器，该芯片支持JTAG接口调试和串行线调试，能够在恶劣环境下工作。

2.3 温湿度传感器模块

采用SHT30温湿度传感器模块，利用I2C进行数据传输，具有SCL和SDA两个可选地址，其中SDA是双向传输的［9］。电路如图3所示。

2.4 PM2.5传感器模块

采用ZPH02粉尘传感器，利用功率电阻加热原理加热环境空气，使热的环境空气上升带动环境中的PM2.5，进入检测光路进行检测［10-11］。

2.5 气体传感器模块

采用MiCS-4514型气体传感器，在一个封装上有两个完全独立的传感元件，可检测出一氧化碳和二氧化氮［12］。

2.6 数据显示模块

数据显示模块分为终端显示、手机App显示和网页显示，考虑多参数空气检测仪的便携性、小巧性和数据的直观性，选用OLED数据显示屏［13］。

SSD1306是用于驱动显示系统的芯片，支持多种总线驱动方式，如I2C，8080，SPI等，该模块通过电阻将相应IO端口配置成I2C接口方式。

2.7 电路模块

（1）接口电路。通过ST-link SWD方式进行调试，该方式支持在线调试，直接通过USB接口将编写好的程序烧写到STM32芯片中进行调试［14］，确保系统正常工作。接线方式如图4所示。

（2）复位电路。由电阻、电容和开关构成，其复位是低电平有效，利用电容电压不可以突然跳变的性质，当电路刚上电时刻，电容电压为低电平，芯片复位，随机VCC通过10 kΩ电阻给0.1 uF的电容充电；当电容充满电时，其电压为高电平，RESET也是高电平，芯片开始正常工作［13］。当按下REST1键时，RESET端与地接通为低电平，电路处于复位状态。电路原理如图5所示。

（3）晶振电路。由8 MHz和32.768 kHz的晶振配合不同的负载电容与地连接构成［15］。8 MHz的高频晶振为电路提供基本时钟频率，经过芯片内部的各种分频和倍频后提供不同的时钟频率；32.768 kHz的低频晶振为计时器、系统待机或低功率耗时提供的，其定时的精度比内部的定时器要高得多。晶振电路原理如图6所示。

2.8 无线通信模块

采用ESP8266 WiFi模块，该模块以客户端身份启动到服务页面的TCP连接，使用命令通过WiFi将设备连接到网络，允许在网络上看到单元信息，支持Internet或LAN通信的网络操作。

3 软件设计

主要包括温度、湿度采集、PM2.5浓度采集、气体采集和数据处理，各部分之间通过STM32F103主控芯片进行连接，使其构成一个完整的检测系统，进行数据检测处理与判断，将所检测到的数据显示并上传至云平台。

3.1 温湿度采集模块设计

SHT30温湿度传感器利用I2C进行通信，先向主控芯片发送SHT30的设备地址，然后发送读取数据命令，由于数据的读取分为低八位和高八位及温度和湿度两个部分，数据读取完要进行处理，使数据能够直观地显示出来。

3.2 PM2.5浓度采集模块设计

系统采用STM32 PWM脉冲捕获功能接收被测信号，根据捕获到的下降沿时间大小与整个周期相比较得出占空比，从而判断PM2.5含量的大小。

3.3 气体采集模块设计

气体采集模块分为一氧化碳检测和二氧化氮检测，由于这两种气体检测所用的是一个传感器模块，检测到的信号都是模拟电压信号，所以利用STM32模数转换功能将检测到的模拟信号转换成数字信号，并对转换后的数据进行处理，便于显示和传输。

3.4 数据处理模块设计

3.4.1 数据显示模块设计

数据显示模块为OLED屏显示，利用I2C进行通信，使用前先调用I2C即初始化I2C程序，再向SSD1306写入相关设置命令，在数据显示前先写入清除显示命令，以防显示数据之间相互影响，在数据显示时设置显示数据的字体大小以及将要显示的数据所在屏幕上的行和列的位置信息等，然后写入显示数据字符命令和开启显示命令。

3.4.2 数据传输模块设计

采用ESP8266 WiFi模块，该模块通过AT指令进行设置后，需要操作串口进行数据的无线传输，其软件设计要先初始化串口功能，在发送数据前连接无线网络，然后发送相应的AT指令设置其工作模式，读取网络IP地址建立连接即可进行数据发送，最后数据上传至ESLINK云服务器。

4 系统测试

测试过程主要检测温度、湿度、PM2.5、一氧化碳、二氧化氮以及数据的显示与数据传输等模块，检测该系统中各模块能否正常工作，并根据测试结果分析该系统是否达到设计目标及要求。

4.1 温湿度模块检测

将测试系统接通电源放置室外一段时间，记录放置时的温湿度，过一段时间再观察其温湿度的数据变化。当环境温度发生变化时温湿度也会发生不同的变化，在一天中的不同时段所测得的温湿度数据也不同。

4.2 PM2.5模块检测

PM2.5含量是检测空气中悬浮颗粒的，为模仿悬浮颗粒的状态，可以通过香烟来模拟悬浮颗粒，在正常的环境中记录下未点燃香烟时PM2.5的数据，然后与点燃香烟后并将香烟靠近传感器时PM2.5的数据进行比较。

4.3 气体传感器模块检测

检测一氧化碳和二氧化氮，由于这两种气体不易得到，但空气中又有它们的含量，可以将检测系统放置室外一段时间观察其检测数据是否发生变化，记录放置时的检测数据，过一段时间再记录检测数据，会发现空气中这两种气体的含量变化比较稳定，所以不同时间段检测出的数据是一样的。

4.4 手机端数据显示检测结果

输入云平台的地址，将手机端连接到物联网云平台上，并选择数值型显示，刷新手机就会显示出各传感器测得的数据。

4.5 云平台端数据显示检测结果

本设计采用尚观推出的物联网云平台ESLINK云服务器，登录后按照操作提示，根据需求进行设置，但该平台只允许用户设置4个传感器，所以被测系统只上传了4个被测数据。

5 结语

本文针对空气污染日益严峻问题，设计了一种多参数空气质量监测系统。利用数据采集模块采集空气中的温度、湿度、PM2.5、一氧化碳、二氧化氮等信息，采集的数据经过处理后，一是在检测设备终端进行显示，二是将数据上传至云平台便于电脑端和手机端查看数据，三是测试检测系统的性能。经测试，系统能够正常运行，各模块能及时检测出当前环境中被测参数的质量变化，具有成本低、操作简单、便于携带、功耗低等优点，符合预期设计。

参考文献

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（编辑 沈 强）