基于单片机的室内环境监测与净化系统

Science&TechnologyVision科技视界基于单片机的室内环境监测与净化系统汪琪杨洪涛渊安徽理工大学机械工程学院袁安徽淮南232001冤揖摘要铱为满足对室内空气质量的实时监控袁保护人体健康袁设计了一种基于单片机的室内环境监测与净化系统遥本文以STM32单片机作为核心处理器,利用DHT11温湿度传感器尧MQ空气质量传感器及负离子净化器设计了其硬件电路袁编制了相应监控软件和手机APP袁利用WIFI无线通信技术袁实现系统的现场和远程监控与报警遥同时通过APP远程控制负离子净化设备袁实现对室内环境进行净化袁实验结果表明袁本文设计的室内环境监测与净化系统性能良好袁可精确检测室内环境参数袁有效净化室内环境袁还具有低成本尧高性能尧使用方便的特点袁具有较好的应用前景遥揖关键词铱STM32单片机曰室内环境曰无线通信曰远程监控曰净化系统中图分类号院TP216文献标识码院ADOI院10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.20.007文章编号院2095-2457渊2019冤20-0018-0021背景介绍室内空气质量问题一直关系着人们的身心健康袁近年来袁有不少学者对环境监测系统进行研究袁如文献1设计了一种室内环境智能监控系统袁利用温湿度传感器尧PM2.5传感器对室内环境进行采样袁并反馈给用户遥文献2设计了一种基于物联网的室内环境智能监控系统袁能够自动采集室内环境数据并进行分析袁通过控制空调来实时调整室内环境温度遥文献3设计了一种室内环境报警系统袁具有对温度尧烟雾尧可燃气体的监测和数据上传功能袁并且具有自动报警功能袁也可通过手机进行查询遥但以上研究成果大都是仅对温湿度尧可燃气体浓度尧PM2.5值进行监测袁没有实现对环境质量进行改善的袁因此本文研究设计了一种基于STM32单片机的室内环境监测与净化系统袁采用了传感器列阵结构管理多个不同类型的传感器袁利用APP远程监控和WI-FI技术袁实现室内环境全面智能化监测和报警袁同时采用负离子空气净化设备对空气进行净化尧除尘尧灭菌袁改善室内环境质量遥再从APP中读取控制指令发送回单片机袁对净化模块进行控制袁实现室内环境的净化遥同时在APP中可以设定温度尧湿度及各种气体浓度的上下限袁当检测到的数据值超出界限时袁可启动报警蜂鸣器及发送警报信号给APP实现智能报警遥33.1系统硬件设计2系统工作原理环境监测模块环境监测模块硬件电路原理图如图2所示袁其中利用DHT11数字温湿度传感器实时采集温湿度数据遥该传感器可实现数字信号输出袁其单线制串行接口引脚接单片机的PA5引脚袁能够有效尧可靠的采集温湿度数据袁测温范围为0-50益袁测量精度为依2益袁测量湿度范围为20%-90%RH袁测量精度为依5%RH遥MQ-9气体传感器可检测一氧化碳尧甲烷多种可燃性气体袁对液化气尧丙烷尧氢气的灵敏度高袁具有双路信号输出遥将传感器模拟量输出通道接入单片机ADC采集接口PA7袁将模拟量转变成数字量后袁再通过公式换算得出浓度值袁可检测一氧化碳浓度范围为10-1000ppm遥同时利用GP2Y1010AU0F粉尘传感器检测PM2.5值袁其模拟量输出通道接入单片机ADC采集接口PA6袁此传感器的输出电压范围为0.9V-3.6V袁通过单片机自带ADC采集通道将模拟量转换成数字量后袁通过相关公式转换成PM2.5值遥当传感器最大电压值为3.6V时袁此时测量得到的PM2.5值为510ug/m3袁因此检测范围为院0-510ug/m3遥图1系统整体设计框图本文设计的环境监测与净化系统主要由环境监测模块渊温湿度检测尧室内气体污染物浓度检测冤尧单片机控制模块尧显示模块尧空气净化功能模块尧WIFI远程监控模块尧报警模块组成遥环境监测模块中利用相应传感器对当前室内的温湿度尧CO等多种气体浓度等环境参数进行采集袁数据经单片机处理后在显示模块中进行显示袁并通过WIFI模块传送到用户手机APP中袁图23.2环境监测模块电路原理图WIFI模块WIFI模块硬件电路原理图如图3所示袁该模块使用ESP8266串口袁TXD引脚接入单片机的PA0-WKUP18科技视界Science&TechnologyVisionScience&TechnologyVision科技视界引脚袁RXD引脚接入单片机的PA1引脚袁主要用于实现APP的远程控制功能遥图3WIFI模块电路原理图3.3该净模化块模使块用负离子空气净化装置袁如图4渊a冤所示袁通过双电极片之间的电弧将空气中的污染物颗粒击穿并吸附在电极片上袁实现空气的净化袁其额定工作电压为220V袁额定频率为50~60HZ袁额定工作电流5.臆10mA袁额定工作电压臆1W袁负离子浓度为渊为b5*106pcs冤DC12V所示袁/袁由cm单于3遥片负净机离化无子模法空块直气的接净控通化制过装电IO置路原理图如图4口的对额其定进工行作驱电动压袁因此需要额外的电压隔离或继电器对净化装置进行驱动袁本设计采用继电器驱动电路实现驱动电压的转换袁将单片机IO口输出的5V电压转换成净化装置所需要的12V控制电压袁以保证设备的正常运行遥单片机引脚输出高点平时袁光耦导通袁则继电器线圈得电袁产生磁性袁将触点吸合以驱动净化装置袁实现单片机控制净化器装置的工作运行遥图4净化模块4系统软件设计WIFI本文设块尧负模离块子尧空环计气境的净参监化数控模采系块集统组模软成块件遥尧AD主要转由换初及数始据化处模理块模尧在上电后对各个模块进行初始化袁对GPIO接口进行分配遥首先进行WIFI配置袁配置成功后袁由监测模块中的各个传感器对环境参数进行采集袁由于系统需要多个传感器同时工作袁在单片机系统的软件设计中引进多任务机制袁借用单片机的内部定时器中断服务程序作为调度主程序袁以产生精确的单位时间片袁在定时器中断服务程序中设置一个软件计数器袁由计数器的现行值作为各个模块是否执行的依据遥AD转换及数据处理模块主要将传感器输出的模拟量转换成数字量袁并进行存储袁经处理器处理后传输至显示模块进行显示遥WIFI模块负责单片机与手机APP之间的通信袁用来收发数据遥负离子空气净化模块程序通过对比APP数进而发据控送进制控行继制判电指断器令袁来启袁当通采动过集负WIFI数据离子空模值气块超净给出设化单定装片范置机围实袁单时袁由现片净机化功能遥软件设计主程序流程图如图5所示袁该程序采用模块化编程的方法袁对各个功能模块分别编写独立的函数袁并对应不同的标志位袁主程序通过判断各个模块对应的标志位执行相应的函数袁来实现对各个模块的控制遥图5主程序流程图5实验结果按照上述设计方案袁将STM32单片机尧DHT11传感器尧MQ空气质量传感器以及液晶显示器等硬件连接制成实验板袁把所编写的程序烧录进单片机内袁上电后81实气%2质RH际使量监袁温用测度所装为得检置25所益测测袁结得PM2.果如数值5图6所示袁空气湿度为相值比为较25ug袁空/m3气袁与湿传度统相空差检%测袁温室内度环相境差参1益数袁遥PM2.5值相差为2ug/m3袁可以精确6总结本文设计了一种基于单片机的室内环境监测与净化PM2.系统袁可以实现让用5户值实等时相了关解空室气对内指室空标内气进温质行湿量稳度袁定尧并可一具靠氧有尧渊精化下转第确碳的浓度及28监测页袁冤Science&TechnologyVision科技视界19Science&TechnologyVision科技视界国内科研机构中科院上海药物研究所也在此方面作出了大量尝试袁其提出了以具备异吲哚酮骨架的氨基甲酸酯侧链袁这种侧链能够更好地与细菌的50S核糖体亚基结合袁对耐药菌具备较好的抑菌活性袁同时发现该类侧链能够极大地提高化合物的水溶性袁因此也可以有助于成药袁具备良好的开发前景[13]遥咱1暂骆健,等.截短侧耳素及其衍生物的研究进展袁叶黑龙江畜牧兽医曳科技版袁2013(6):41-43遥咱2暂北京艾百诺科技有限公司援含有取代方酸的乙酸妙林酯及其应用[P]援中国专利院CN201210028544袁2013-08-14援咱3暂北京艾百诺科技有限公司援含有取代方酸的乙酸妙林酯及其应用[P]援中国专利院CN201210015270袁2013-07-17援咱4暂南通大学援新型截短侧耳素衍生物尧其制备方法及其医药用途[P]援中国专利院CN201110122119袁2011-05-12援咱5暂山东亨利医药科技有限责任公司援截短侧耳素类抗生素[P]援中国专利院CN201310452051袁2013-09-18援咱6暂山东亨利医药科技有限责任公司援含有螺环的截短侧耳素类抗生素[P]援中国专利院CN201310452247袁2013-09-28援咱7暂中国农业科学院兰州畜牧与兽药研究所援截短侧耳素衍生物及其制备方法和应用[P]援中国专利院CN201210427093,2012-10-31援咱8暂NABRIVATHERAPEUTICS援PLEUROMUTILINDERIVATIVESANDTHEIRUSEASANTIMICROBIALS[P].WO2008AT00254袁2008-07-11援咱9暂NABRIVATHERAPEUTICS援PLEUROMUTILINDERIVATIVESFORTHETREATMENTOFDISEASESMEDIATEDBYMICROBES[P].WO2008AT00097袁2008-03-19援咱10暂NABRIVATHERAPEUTICS援MUTILINDERIVATIVESANDTHEIRUSEASPHARMACEUTICAL[P].WO2007AT00009袁2007-01-11援咱11暂SMITHKLINEBEECHAMPLC援CARBAMOYLOXYDERIVA-TIVESOFMUTILINEANDTHEIRUSEASANTIBACTERIALS[P].WO1996EP05874袁1996-12-19援咱12暂SMITHKLINEBEECHAMPLC援2-HYDROXY-MUTILINCARBAMATEDERIVATIVESFORANTIBACTERIALUSE[P].WO2001EP03594袁2001-03-29援咱13暂中国科学院上海药物研究所援新型截短侧耳素类化合物尧其药物组合物及其制备方法和用途[P]援中国专利院CN201010176477袁2010-05-18援咱14暂SMITHKLINEBEECHAMPLC援PLEUROMUTILINDERIVAT-IVESANDTHEIRUSEASANTIMICROBIALS[P].WO2001EP08949袁2001-08-02援咱15暂SMITHKLINEBEECHAMPLC援MUTILINCOMPOUNDS[P].WO1999EP08705袁1999-11-09援揖参考文献铱3以含氮杂环为侧链的截短侧耳素类衍生物SMITHKLINEBEECHAM公司在合成氨基甲酰基的基础上袁在保留14位酯基的基础上引入含氮的单或双杂环袁包括吡啶尧嘧啶尧吡喃尧喹啉等杂环袁同时在杂环内引入羰基袁合成了一系列具备抗菌活性的新侧链化合物[14]遥该公司还进一步设计了含氮螺环的侧链袁并且同一个环中的N原子个数也扩展至两个袁证明经过修饰的含氮杂环侧链也能具备同样的抗菌活性[15]遥该公司在截短侧耳素类药物侧键改进的研究中摸索出了自己的体系袁通过含氮杂环的引入袁得到独特的抗菌结构遥目前对于截短侧耳素类化合物的进一步结构改进还是集中在C14位侧链上袁是在研发成熟尧方向明确的硫醚侧链的基础上继续研究袁还是在新兴的具有很多空白的氨基甲酸酯或杂环侧链的基础上继续研究袁需要申请人根据经济实力尧研发实力等各方面的因素综合考虑遥从现有专利的分析结果可以看出袁原研发公司积累了大量的研发经验袁大部分研发成果集中在小部分研发公司手中袁已经形成了范围较广的专利族群袁新兴的研发公司可以从中找到应当重点关注的改造位点和改造基团袁但如果只是一味模仿前人的研究成果袁较难获得具备新颖性或创造性的有效专利袁如果转向研究新兴的氨基甲酸酯或杂环侧链袁也许可以开创出新的领域遥另一方面袁申请制备方法尧晶型尧组合物等方面的专利袁以形成外围专利防线也不失为一种防守策略袁不仅可以有效阻止原研公司的肆意扩张袁也可以为其后可能的市场争取足够的研究时间袁在专利申请中抢占先机袁才有助于在接下来的竞争中占据上风遥渊上接第19页冤空气净化功能袁用户可通过手机APP远程监控袁能够较好地适用于日常室内环境的监测遥咱1暂叶帅,谢德庚.一种室内环境智能监控系统的设计[J].电子技术与软件工程,2019(10):243-244.科技经济导刊,2018,26(23):68.咱2暂金天宝,郭凯.基于STM32室内环境无线监控系统设计[J].咱3暂许有军,宋思绮,张程皓,王玉媛,胡鹏飞等.室内环境智能监控系统的设计[J].福建电脑袁2016,32(04):36-44.2019,9(05):52-54.咱4暂陶冶.室内环境监控报警系统设计[J].物联网技术,咱5暂黎冠,马婕,卜祥丽,等.STM32单片机在室内环境监测系统中的应用[J].自动化仪表,2014(7)院29-31.用[J].数字技术与应用,2015,(11):6.咱6暂仰浩浩.试论STM32单片机在室内环境监测系统中的运咱7暂杨迁.具有新风系统的室内空气净化器的设计与实现[J].河北大学,2018.揖参考文献铱图6实物应用图28科技视界Science&TechnologyVision