一种小型室内环境智能监测仪器的设计

何伟刚，李政林，章　帆（广西科技大学电气与信息学院，广西柳州　545006）



一种小型室内环境智能监测仪器的设计

何伟刚，李政林，章帆
（广西科技大学电气与信息学院，广西柳州545006）

摘要：基于人们对室内空气质量监测的需求，设计一种以STM32F103C8T6微控制器作为核心控制器的一套室内环境智能检测系统，它能够实时、准确并有效地监测当前室内的温度、湿度以及空气中的悬浮颗粒（PM10）和有毒有害气体等，并通过蓝牙把当前室内的环境情况传送到电脑端显示出来，及时向人们警示，避免对人体健康产生危害。该系统具有体积小、方便可靠以及操作简单等特点，可广泛应用在室内环境检测领域。

关键词：室内环境；悬浮颗粒；智能监测；蓝牙

多年来，由于工业化进程的加速，人们过度砍伐树木，开采煤矿等资源，同时随意排放废水废气，将经济的快速发展建立在破坏自然环境的基础上，缺乏对自然环境的保护[1]。因此，在经济发展的同时，自然环境也受到了严重的污染和破坏，环境问题日益凸显，例如最近几年，北京、上海、天津、南京等各大工业城市都相继出现了沙尘暴、雾霾、光雾等灾害，严重地威胁着人们的身心健康。大量的研究表明，如果人们长期生活在空气受到污染的室内，吸入含有多种有害物质的污染空气，将会引起如咽喉肿痛、呼吸道感染、皮肤过敏、哮喘咳嗽等多种疾病。在我国，每年因居住在空气受到污染的室内而引起疾病或者死亡的案例并不少见[2⁃4]，例如，因空气中悬浮颗粒（PM10）含量过高而导致人们的呼吸道受到刺激、感染，从而导致人们患上多种呼吸道疾病；人们在使用煤炭、天然气、液化石油气等进行烹饪或取暖时，因通风不足或者操作不当引起的煤气中毒等。除此之外，因空气过于潮湿或干燥引起湿气、鼻腔黏膜受损等案例也不在少数。综合以上所述，有必要设计一种能够对空气中的温湿度、悬浮颗粒、甲醛、苯系物、煤气、液化天然气等进行实时监测，当空气中的污染物超标的时候，能够向人们提出警示，为人们创建一个健康、安全、舒适的生活环境的环境监测系统。本系统采用了基于ARM Cor⁃tex⁃M3内核的32位微控制器STM32F103C8T6作为核心，外围搭配了夏普公司的悬浮颗粒传感器GP2Y1010AU0F，高性能数字式温湿度复合传感器DTH11，以及炜盛电子公司的甲醛传感器MQ138，烟雾传感器MQ135，可燃气体传感器MQ2。同时，系统可通过蓝牙无线通信技术将当前的室内环境数据发送到电脑端的上位机软件上进行实时监测，当有异常情况时可记录该异常并告警。本系统具有体积小、方便可靠以及操作简单等特点，可广泛应用在室内环境检测领域。

1　系统设计

1.1系统整体框架设计

本系统可分为上位机和下位机两部分，系统的总体框架如图1所示。其中上位机主要负责环境信息的显示和监控，下位机负责采集当前环境数据并传送到上位机。系统总体的工作流程是：下位机通过传感器采集周围的环境信息，然后对数据进行封包处理并通过蓝牙无线通信技术将数据包传输到上位机里，上位机对数据包进行解包和校验后，将环境信息显示在电脑上，如果有异常情况则发出报警并记录。

1.2硬件整体设计

图1　系统总体框架图

下位机硬件可分为控制部分、环境采集部分以及无线数据传输三大部分。下位机硬件的整体框架如图2所示。环境采集部分可分为温湿度采集部分、悬浮颗粒采集部分、甲醛，苯系物采集部分、可燃气体采集部分以及烟雾、有害气体采集部分，环境采集部分主要是对周围环境进行采集，得到周围环境的数据信息。控制部分采用了STM32F103C8T6微控制器作为控制部分的核心，负责处理系统的各项任务，如传感器数据读取，数据的封包处理等。无线数据传输部分主要负责将系统采集到的环境数据传输到电脑端，电脑端接收到数据后通过上位机软件显示在界面上。

图2　下位机硬件整体框架图

室内环境智能监测系统采用了意法半导体（ST）公司生产的32位微控制器STM32F103C8T6作为系统的核心，该微控制器基于ARM Cortex⁃M3。室内环境智能监测系统采用了来自夏普公司生产的GP2Y1010AU0F粉尘传感器模组，用来监测空气中的悬浮颗粒含量。

GP2Y1010AU0F粉尘传感器模组是一款成本低、体积小、功耗低，并且能够区分出粉尘和烟雾的传感器模组，由于GP2Y1010AU0F具有优异的粉尘检测性能，因此被广泛的运用在空气清洁器、空气过滤器以及空气质量检测仪等设备上。DHT11温度、湿度复合式传感器主要是由电阻式感湿元件、NTC热敏电阻元件以及一个高性能的8位微控制器构成。其中电阻式感湿元件用于环境湿度的采集，NTC热敏电阻用于环境温度的采集，室内环境智能监测系统采用了炜胜科技公司生产的MQ135，MQ2，MQ138半导体气敏元件，其中MQ135对氨气、硫化物、苯系物质以及烟雾等气体比较敏感；MQ2则对液化气、丙烷、氢气等可燃气体比较敏感；MQ138对甲醛、乙醇、丙酮等比较敏感。特定的半导体气敏传感器在一定的浓度范围内检测特定的气体。MQ系列半导体气敏传感器驱动电路简单、寿命长、成本低，被广泛应用在空气质量监测、空气污染报警、空气过滤器等场合。MQ135，MQ2，MQ138半导体气敏传感器是一种使用含有二氧化锡物质做气敏材料的传感器，当二氧化锡处于洁净的空气中时，其导电率比较低，而当二氧化锡处于受污染的空气中时，其导电率与污染物的浓度成正比，如果在电路中串接一个电阻即可将导电率的变化转化成模拟电压的变化，再通过微控制器的ADC采样和换算，即可计算出空气污染物的气体浓度大小。蓝牙是一种低功耗、低成本、近距离的2.4 GHz无线通信技术，由于它工作在2.4 GHz的ISM（工业、科学、医学）频段，因此无需向无线电部门申请许可就可使用。蓝牙不仅可用于传输语音和数据，还可以用于组网通信，而且抗干扰能力强、功耗低、体积小巧，使得蓝牙技术被广泛的应用在各种领域[5⁃7]。在本系统中，下位机和上位机之间的通信就是用了蓝牙无线技术：下位机通过串行口将数据包发送给蓝牙无线通信模块，然后蓝牙无线通信模块会将数据包通过蓝牙技术发送到上位机的蓝牙接收模块，并将其解包，提取出环境数据后将其显示在界面上。

本系统使用的蓝牙模块型号为HC⁃04，该模块支持主从一体模式，供电电压为3.3 V，数据通信接口为USART串行口[8⁃9]。当蓝牙模块从串行口接收到数据时，会自动将数据通过蓝牙无线传输到另一个配对的蓝牙模块，而另一个蓝牙模块接收到数据后，又将数据通过串行口发送给应用设备，从而实现数据的透传

2　软件整体设计

上位机是运行在电脑端的监控软件，负责将下位机传送过来的环境信息进行显示并监控，当某一数据超标时能够报警并及时记录该事件。上位机由C#语言编写，使用Visual Stdio 2013软件作为开发环境[10⁃11]。上位机采用模块化设计的思路，将软件分成了数据传输、数据处理和人机交互三大部分，数据传输模块主要负责从系统端口中接收来自下位机的数据包，而数据处理部分则负责对数据包进行处理和校验，人机交互部分则负责将环境数据呈现在软件界面上，并对数据进行监控，如果有数据异常，则记录该异常事件。上位机整体软件流程图如图3所示。

图3　上位机整体软件流程图

在本系统中，当打开上位机软件时，首先对Serial Port类进行初始化，调用PortName方法来获取当前电脑上所有可用的串行口，并将当前可用的串行口映射到软件界面的下拉菜单。当用户点击连接室内环境检测系统时，设置串口的波特率为115 200 b/s、无校验位、一个停止位，然后打开选中的端口，并进行监听。当有数据传来时，触发数据接收事件，接收完数据后，将数据传送给数据处理函数进行处理。程序流程如图4所示。

图4　Serial Port程序流程图

当接收到下位机发送过来的数据包后，需要对其进行解包处理，如图5所示。由于通过Serial Port的Read类读取串口得到的是所有存在串口缓存中的数据，这些数据可能包含了下位机传过来的多个数据包，为了能够准确地找到一个完整的数据包，需要对读取回来的数据进行一定的处理。

3　系统测试

通过上位机软件对室内的环境进行监测，并分别用甲烷、液化石油气、烟雾等污染源放置在本室内环境智能监测系统附近，根据不同的测试情况，系统也会有不同的反应，由实验结果可知，本室内环境智能监测系统能够十分迅速地检测出污染物，并同时在软件界面上记录污染物超标内容并向人们警告。下位机调试图如图6所示。

图5　数据解包流程图

图6　下位机调试图

4　结　语

本文设计开发了一种能够对室内环境中的温度、湿度、PM10、甲醛以及液化石油气等有害物质进行实时监测的智能系统，如果所测项目超标，则及时记录并警报。由于本系统采用了性价比高、功能强劲、低功耗的32位微控制器STM32F103C8T6，同时外围搭配了多种传感器，使用了2.4 GHz蓝牙无线数据传输技术并结合上位机，可对室内环境进行准确有效地监测并监控，同时人性化的人机界面可以让人们方便快捷地了解到当前室内的环境信息。对保护人们的身心健康，改善人们的居住环境提供了有力的参考信息，并对研究室内污染物的来源有一定的参考价值。

参考文献

[1]钱华，戴海夏.室内空气污染与人体健康的关系[J].环境与职业医学，2007，24（4）：426⁃430.

[2]王啸东.PM2.5粉尘颗粒检测仪的研制[J].电子世界，2013 （16）：96.

[3]雷国建，刘登科，石启亮.基于LabVIEW的远程温度检测控制系统设计与实现[J].现代电子技术，2012，35（19）：111⁃113.

[4]王传秒.基于ARM9的环境监测平台设计[D].长沙：湖南大学，2012：31⁃33.

[5]王任，刘劲峰，于哲.蓝牙技术的应用[J].信息技术，2002（7）：47⁃48. [6]阮翔.基于单片机的温度控制系统的研究[J].信息系统工程，2015（5）：15⁃17.

[7]陈鑫，秦宏伟，陈春雨，等.基于Cortex⁃M3内核的STM32微控制器研究与电路设计[J].大庆师范学院学报，2013，33（6）：44⁃47.

[8]林叶锦，熊红斌.浅析智能温湿度控制系统发展[J].黑龙江科技信息，2013（14）：100.

[9]吴玉锋，田彦文，韩元山，等.气体传感器研究进展和发展方向[J].计算机测量与控制，2003，11（10）：731⁃734.

[10]倪天龙.单总线传感器DHT11在温湿度测控中的应用[J].单片机与嵌入式系统应用，2010（6）：60⁃62.

[11]彭伟.线程安全的.NET平台串口通信程序设计研究[J].湖北工业大学学报，2012，27（2）：34⁃39.

Design of an intelligent monitoring instrument for small indoor environment

HE Weigang，LI Zhenglin，ZHANG Fan
（School of Electrical and Information Engineering，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou 545006，China）

Abstract：Based on the demand of indoor air quality monitoring，a set indoor environment intelligent detection system tak⁃ing STM32F103C8T6 as its core controller was designed. It can accurately and effectively monitor the current indoor temperature and humidity，and suspended particle（PM10）and harmful gas in the air in real time，transfer the current indoor environment situation to the computer through Bluetooth for display，and then warn people timely to avoid the harm of human health. This system has the characteristics of small size，convenience，reliability and easy operation，and can be widely used in the field of indoor environment detection.

Keywords：indoor environment；suspended particle；intelligent monitoring；Bluetooth

中图分类号：TN722⁃34

文献标识码：A

文章编号：1004⁃373X（2016）10⁃0073⁃03

doi：10.16652/j.issn.1004⁃373x.2016.10.019

收稿日期：2015⁃10⁃25

基金项目：国家自然科学基金资助项目（61464001）；广西教育科学“十二五”规划课题项目（2015C395）

作者简介：何伟刚（1962—），男，壮族，广西柳州人，副教授，硕士。主要研究方向为通信系统与信号处理。