基于STM32的便携式室内空气质量检测系统设计

方 帆,许雪艳

(巢湖学院 教务处，安徽 巢湖 238000)

随着经济水平的不断发展，人们愈加崇尚优越舒适的居住环境。研究表明，人们大部分时间都是在室内度过的[1]，因此室内的空气质量直接影响居住环境的舒适度。而影响室内空气质量的因素主要有两方面[2]，一方面是人们使用不当，或者设备故障引起的燃气、液化石油气等可燃气体泄漏；
另一方面是由于房屋过度装修、玩具、书籍等带来的挥发性有机物，包括甲醛、苯、氨等。

这两类污染物都会对人体造成极大的危害，因此研究并设计出能够快速、准确检测室内空气质量的设备就显得至关重要[3]。本研究根据实际生活需要设计了一款便携式家用室内空气质量检测系统，可实时检测两类有害气体浓度，同时还可以检测室内温湿度等热环境参数[4]，具有超限报警等功能。检测数据可通过无线蓝牙模块上传到智能终端，以便于人们随时掌握室内空气质量情况，提高人们的日常居住水平。

检测系统采用高性能、低功耗的STM32作为核心控制器，系统主要包括空气质量检测模块、信号处理模块、显示模块、声光报警模块、无线传输模块以及电源管理电路，其系统框图如图1所示。其中空气质量检测部分包括温湿度传感器，甲醛、甲苯等挥发性有机物(VOCs)检测传感器和可燃气体检测传感器等各种传感器模块，通过各个传感器对室内空气中的重要参数进行检测，检测到的数据由STM32进行处理计算并实时显示；
同时通过无线蓝牙模块将检测结果传输至手机等移动设备，以便人们随时获取室内空气质量情况，当某种有害气体浓度超标时，声光报警系统报警。

图1 系统总体设计框图

2.1 STM32微控制器

本系统选用了基于ARM Cortex-M3内核的32位微控制器STM32F103RCT6作为核心控制器，该微控制器内部集成了256kB闪存和48kB的SRAM，2个高级定时器，4个通用16位定时器，和3个12位us级的A/D转换器，具有丰富的外设接口[5]，I/O翻转速度可达18 MHz，片内资源完全能够满足系统设计的需求，还具有较高的稳定性，可靠性和高性价比，程序易于移植。

STM32F103RCT6作为整个系统的核心，负责对传感器输出的信号进行转换，处理计算和显示[6]。本设计为使系统最小化，便于携带，系统板去除了不必要的外设和接口，仅利用2个AD采样端口对2路模拟传感器的输出的模拟量进行采样处理。同时采用简单的声光报警，当有害气体浓度值超过报警值时，控制逻辑输出端口点亮LED灯及有源蜂鸣器进行报警[6]，并控制蓝牙模块发送检测数据到智能终端。

2.2 温湿度传感器

该检测系统用于室内的空气质量检测，因此进行传感器选择时主要考虑其常用量程范围的精度和稳定度，传输形式和转换模式是否便于处理，以及性价比等性能指标[7]。温度及湿度检测选用DHT11数字传感器，这是一款较常用的复合传感器，采用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，具有较高的可靠性与稳定性，输出的数字信号经过校准，响应快，抗干扰能力强。同时DHT11采用单总线接口设计，仅需一根数据线就能完成和微控制器STM32F103RCT6通信，使得检测系统小巧便捷。

传感器湿度测量范围为：20%-95%，精度为±5%RH，温度测量范围为：0-50 ℃，精度±2 ℃。DHT11温湿度传感器和STM32F103RCT6之间的接口电路如图2所示，为提高数据通信的稳定性，在传输数据线和电源线之间加了上拉电阻[2]。

图2 温湿度检测接口电路

2.3 可燃气体和挥发性有机物检测传感器

检测系统采用MQ系列传感器来检测室内空气中两类最主要的有害气体浓度，可燃气体和甲醛。MQ-6传感器和MQ-135传感器接口电路如图3所示，传感器的模拟量输出端分别接STM32F103RCT6的PA1和PA2脚，对应STM32内部自带的12位ADC1的通道1和通道2输入，均采用5 V电压供电。

图3 MQ传感器接口电路

其中可燃气体浓度检测采用的是MQ-6传感器，该传感器可检测甲烷、乙醇等多种可燃气体，对丙烷最为敏感，具有很高的灵敏度。MQ-6传感器基于电化学原理来检测空气中的可燃气体浓度。因为随着空气的流动，可燃气体会扩散到传感器的电极上并发生反应生成感应电流，空气中的可燃气体浓度越大，生成的感应电流就越大，通过检测电流的大小就可以感知可燃气体浓度。

挥发性有机物浓度检测采用的是MQ-135传感器，也属于利用气敏材料制作的电化学传感器，具有双路信号输出，一路输出模拟量，一路输出TTL电平。输出的模拟量会随着挥发性有机物浓度的增加而增加，对甲醛、甲苯等挥发性有机物具有很高的灵敏度。但MQ系列气体传感器需加热才能正常工作，因此为了避免该传感器加热对温湿度传感器测量结果的影响，该传感器不可直接焊接在开发板上[8]。

2.4 蓝牙通信模块

无线通信模块是本系统的重要组成部分，为了便于实时获取检测数据，系统选用HC-42蓝牙串口通信模块实现数据传输。

HC-42蓝牙模块是新一代基于Bluetooth Specification V5.0 BLE 蓝牙协议的数据传输模块，通信距离可达40米，具有超低功耗和较高的传输速率，能将检测系统输出的串口信号转换成无线信号传输到配对互联的智能终端。其接口电路如图4所示。

图4 蓝牙模块接口电路

蓝牙信号容易被金属屏蔽，因此蓝牙模块不适合放置于PCB板中间位置，而是尽量放置在PCB板边缘[9]，减少干扰。

2.5 液晶显示模块

作为重要的输出设备，该系统选用LCD彩色液晶显示器对检测结果进行显示。该液晶屏支持8/16位并口驱动，同时自带触摸屏。由于主控芯片STM32的通用GPIO口包含16个引脚，因此该系统采用16位并行驱动方式。液晶屏显示实物图如图5所示，同时显示挥发性有机物浓度、温度和湿度，当挥发性有机物浓度超过警戒值时，系统将进行声光报警。

图5 液晶屏显示界面

3.1 STM32微控制器程序设计

系统工作主流程图如图6所示。

图6 系统主程序流程图

系统启动后首先对开发板上各传感器模块以及蓝牙模块进行初始化，等待传感器模块稳定。

系统初始化完成后，启动温湿度数据采集，模拟信号采集及A/D转换，依次对ADC1的通道1和通道2的模拟信号进行采样，每隔50 ms采集一次，采集15次后计算平均值，然后根据传感器的工作特性计算转换成测量结果进行实时显示。每次的检测结果都需要和预先设置的阈值进行比较，一旦超过阈值就进行声光报警，同时每隔10 min向移动设备传输检测数据。

3.2 蓝牙模块程序设计

室内空气质量检测系统通过蓝牙模块和智能终端进行通信，传输方式采用定时中断方式，设置STM32内部Timer2定时时间为10 min，定时时间一到，产生一个中断,在终端函数中完成检测数据的传输。实际检测时，可根据需要修改定时时间。同时蓝牙模块还可接收智能终端发来的查询命令，接收到查询命令后触发中断，发送当前检测数据。

为了测试检测系统各项数据的准确性，利用满足精度要求的独立测量仪表和检测系统的数据进行比较，测量了从早上8点到晚上8点的温湿度，温湿度检测结果如表1所示。通过比较发现，该系统所测量的数据与独立测量仪表的值基本一致，说明系统检测结果准确、可靠，为现场进行实时、持续的温湿度测量提供了一种较好的实现方法。

表1 温湿度检测结果

同时利用满足精度要求的独立测量仪和检测系统对6个不同检测地点的可燃气体浓度以及挥发性有机物进行检测，得到的检测数据如表2所示。通过与独立仪表检测结果比较，可发现该便携式检测系统所测数据在一定范围内相对误差较小，均在3%以内，满足室内有害气体浓度检测系统的设计要求。

表2 有害气体浓度检测结果

智能终端接收检测数据界面如图7所示，界面上方为数据接收区，显示检测系统检测到的温湿度数据，以及可燃气体和挥发性有机物的浓度数据，界面下方为控制区，可向检测系统发送命令，要求传送当前检测数据。用户可根据需要查询历史记录并对数据进行分析，也可根据需要设置传输参数。一旦可燃气体或者挥发性有机物的浓度超标，监测系统会向移动终端发送警告信息，以便及时处理。

图7 智能终端监控界面

本方案设计的便携式室内空气质量检测系统，实现了对室内可燃气体浓度以及挥发性有机物浓度等两类主要有害气体的检测，同时启动蓝牙模块将传输检测结果实时传送到智能移动终端，另外考虑温湿度对室内空气污染物测量的影响，还对温湿度进行了检测，并能对可燃气体和有机物浓度超标进行报警。检测系统采用最小系统板进行设计，去除了不必要的电路模块和接口，传感器均采用单总线进行传输，系统具有体积小，操作方便，易于携带等优点，可实时检测室内空气质量。