質量監測和控制系統設計研究

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1引言

火災是人類的重大災難之一。根據應急管理部消防救援局發布的消息，居住場所發生火災的比例和傷亡人數要比其它的火災數量大，2022年第一季度共接報居住場所火災8.3萬起，共造成503人死亡，占火災總數的38%，死亡人數占總數的80.5%[1]。因此家庭防火刻不容緩，特別是一些存在線路老化、容易出現煤氣泄漏或家中僅有老人獨居的居住場所更應該引起重視。夏天不僅是火災高發的時期，更是酷暑難耐的時期。體弱多病者和老人，因怕著涼或自我感官不熱等各種因素，待在家里既不開空調，也不開電扇，很容易引發中暑，帶來生命危險。每年夏天，獨居老人因未做好降溫措施，而引發中暑住進ICU病房的新聞屢見報端。如何避免此類事情的一再發生，雖然引起各方的重視，但是難免仍有疏漏。基于此，本文以STM32F103處理器為核心，利用物聯網技術設計了一款簡易的室內環境監測和控制系統。

2總體方案設計

該系統設計框如圖1所示，主要由STM32F103主控模塊、MQ-135氣體傳感器模塊、DHT11溫濕度檢測模塊、ESP8266無線WIFI模塊、報警模塊和繼電器輸出模塊等組成。整體設計思路是，SMT32F103主控模塊控制MQ-135氣體傳感器采集室內有害氣體濃度、DHT11溫濕度傳感器采集室內的溫濕度情況；然后將采集到的數據在STM32F103內進行處理，并將其通過ESP8266無線WIFI模塊發送至機智云平臺，手機終端用戶可以對室內空氣質量進行實時監測。如果監測到的溫度或有害氣體濃度超出設定的閾值，報警模塊會發出報警信號，提醒室內人員采取相應的處置措施。此時，手機終端用戶會收到相應的報警信息，也可通過遠程控制的方式，啟動家居電器或通過控制電機打開窗戶。

3系統硬件電路設計

3.1STM32主控模塊

主控模塊作為整個系統的核心，主要負責與外圍傳感器設備、報警電路等進行連接、通訊以及處理采集到的傳感器數據等。其主要組成包括STM32F103主控芯片、晶振電路、復位電路、濾波電路和電源電路等。STM32主控模塊采用STM32F103C8T6芯片。它是一款由意法半導體公司（ST）推出的基于Cortex-M3內核的32位微控制器，運行頻率可達72MH，具有較高的性價比。STM32F103C8T6擁有的資源包括64K*8bit的Flash、20K*8bit的SRAM、37個GPIO（分別為PA0-PA15、PB0-PB15、PC13-PC15、PD0-PD1）、12位模數轉換器、計時器等[2]。

3.2ESP8266無線WIFI模塊

ESP8266無線WIFI模塊作為主控模塊和機智云平臺之間通信的橋梁，主要作用有兩個：（1）負責連接機智云平臺，并將傳感器采集到的數據發送至手機終端用戶，實現實時監測功能；（2）傳輸手機終端用戶下發的控制指令至STM32主控芯片，實現遠程控制功能。為了縮短開發流程，本設計直接選用樂鑫公司開發的ESP-01無線WIFI模組；在硬件連接上，該模組的RXD引腳連接至STM32的PB10（USART3_TX）引腳、TXD引腳連接至STM32的PB11（USART3_RX）引腳。需要注意的是ESP8266無線WIFI模組的供電電壓是3.3V，切莫接成5V電壓。

3.3傳感器模塊

本設計中，主要有溫濕度和有害氣體濃度需要采集。在進行對比分析后，采用DHT11溫濕度傳感器來采集室內的溫濕度，采用MQ-135氣體傳感器采集室內有害氣體的濃度。DHT11溫濕度傳感器具有穩定性好、響應快、成本低等優點，可測量溫度范圍為0℃~50℃，可測量濕度范圍為20~90%RH[3]。DHT11有三個引腳，分別是VCC、GND和DQ，供電電壓為5V。在實際的應用中，DHT11的DQ引腳與MCU的IO引腳進行連接，用單總線通訊方式就能完成一次40bit的溫濕度數據采集。DHT11溫濕度采集模塊原理如圖3所示。在本文中，DHT11溫濕度采集模塊的DQ引腳連接至STM32主控芯片的PB14引腳。當發生火災時，室內空氣中二氧化碳、氮氧化物等有害氣體濃度會顯著提升，因此可以采用MQ-135氣體傳感器來監測室內空氣質量。MQ-135是測量空氣污染情況常用的一個傳感器，具有價格低、壽命長、敏感度高等特點，是一款適合多種應用的低成本傳感器[4]。MQ-135模塊原理如圖4所示。該模塊有四個引腳，分別是VCC、GND、Aout和Dout。本文中，將MQ-135的Aout引腳接至SMT32主控芯片的PA6（ADC）引腳。

3.4報警模塊

報警模塊的功能分別體現在室內報警和手機終端報警兩個部分。室內報警是指當檢測到的溫度或有害氣體的濃度超過設定的閾值時，室內報警電路發出報警信號，提醒室內人員采取相應的應急措施。手機終端報警是指采集到的溫度或有害氣體的濃度超過設定的閾值時，STM32主控模塊會將報警信息發出，手機終端可以實時接收到該信息，并做出相應的處置。室內報警電路主要由一個有源蜂鳴器、一個9012三極管和一個限流電阻組成，手機終端報警由軟件配置完成。

3.5繼電器輸出模塊

繼電器是一種電子控制器件，由輸入端和輸出端組成，可以實現用小電流控制大電流電子設備[5]。STM32主控模塊通過控制繼電器的方式達到控制空調、風扇和電機等應用設備的開啟或關閉的目的。繼電器輸出模塊電路原理如圖5所示，當PA4輸出高電平時，Q2導通，繼電器吸合；當PA4輸出低電平時，Q2截止，繼電器斷開。

4系統軟件設計

本系統的軟件設計主要在MDK5平臺上采用C語言編寫，并移植了機智云協議代碼，實現了與機智云平臺的可靠通訊，圖6為系統主控流程圖。系統首先進行初始化操作，包括STM32主控芯片的初始化、ESP8266的初始化和DHT11、MQ-135傳感器的初始化。接著通過串口軟件發送AT指令，配置ESP8266無線WIFI模塊連接路由器，并確定是否連接成功。當連接成功后，DHT11溫濕度傳感器、MQ-135氣體傳感器將采集到的數據發送至SMT32主控芯片進行處理后，通過無線WIFI模塊傳輸至云平臺，手機終端用戶可實時查看采集到的數據。當采集到的溫度或有害氣體濃度超出系統設定的閾值時，報警模塊會發出報警，室內報警電路的蜂鳴器會一直發出蜂鳴聲，提醒室內人員；同時，STM32F103主控芯片會通過WIFI模塊向云平臺發出報警信號，手機終端用戶可實時接收到提醒；當手機終端用戶接收到報警信號后，可通過手機APP發送相應的控制指令來控制繼電器輸出模塊工作，從而開啟或關閉家中空調、風扇、加濕器以及電機等家居電氣設備。

5結論

本文設計的系統不僅能夠將室內的溫濕度和有害氣體濃度狀況實時發送至手機終端，還能通過手機終端遠程控制家居電氣設備，改善了傳統現場監測在時間和空間上的局限性；同時還具備室內本地報警和網絡報警功能，用戶能夠及時發現報警信息并采取有效措施，減少安全事故的發生。

參考文獻

[1]應急管理部.

[2]李麗榮,薄立康.STM32技術下單片機的通信技術實驗系統設計與實現.電子測試,2021(7):30-31.

[3]付文新,王洪豐.基于STM32單片機和DHT11溫濕度傳感器的溫濕度采集系統的設計與實現.照明電器,2022(3):119-121

[4]李博,練傲.基于STM32的家庭廚房有毒氣體監控系統設計.智能計算機與應用,2022(2):92-98

[5]陳成瑞,王旭康,肖欣悅.智能家居控制系統設計與實現.無線電工程,2020(5):410-414

作者:張永志 單位:福建船政交通職業學院軌道交通學院