質(zhì)量監(jiān)測和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

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1引言

火災(zāi)是人類的重大災(zāi)難之一。根據(jù)應(yīng)急管理部消防救援局發(fā)布的消息，居住場所發(fā)生火災(zāi)的比例和傷亡人數(shù)要比其它的火災(zāi)數(shù)量大，2022年第一季度共接報(bào)居住場所火災(zāi)8.3萬起，共造成503人死亡，占火災(zāi)總數(shù)的38%，死亡人數(shù)占總數(shù)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(xiàn)煤氣泄漏或家中僅有老人獨(dú)居的居住場所更應(yīng)該引起重視。夏天不僅是火災(zāi)高發(fā)的時(shí)期，更是酷暑難耐的時(shí)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(diào)，也不開電扇，很容易引發(fā)中暑，帶來生命危險(xiǎn)。每年夏天，獨(dú)居老人因未做好降溫措施，而引發(fā)中暑住進(jìn)ICU病房的新聞屢見報(bào)端。如何避免此類事情的一再發(fā)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(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了一款簡易的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測和控制系統(tǒng)。

2總體方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(bào)警模塊和繼電器輸出模塊等組成。整體設(shè)計(jì)思路是，SMT32F103主控模塊控制MQ-135氣體傳感器采集室內(nèi)有害氣體濃度、DHT11溫濕度傳感器采集室內(nèi)的溫濕度情況；然后將采集到的數(shù)據(jù)在STM32F103內(nèi)進(jìn)行處理，并將其通過ESP8266無線WIFI模塊發(fā)送至機(jī)智云平臺(tái)，手機(jī)終端用戶可以對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。如果監(jiān)測到的溫度或有害氣體濃度超出設(shè)定的閾值，報(bào)警模塊會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒室內(nèi)人員采取相應(yīng)的處置措施。此時(shí)，手機(jī)終端用戶會(huì)收到相應(yīng)的報(bào)警信息，也可通過遠(yuǎn)程控制的方式，啟動(dòng)家居電器或通過控制電機(jī)打開窗戶。

3系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

3.1STM32主控模塊

主控模塊作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)與外圍傳感器設(shè)備、報(bào)警電路等進(jìn)行連接、通訊以及處理采集到的傳感器數(shù)據(jù)等。其主要組成包括STM32F103主控芯片、晶振電路、復(fù)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(dǎo)體公司（ST）推出的基于Cortex-M3內(nèi)核的32位微控制器，運(yùn)行頻率可達(dá)72MH，具有較高的性價(jià)比。STM32F103C8T6擁有的資源包括64K*8bit的Flash、20K*8bit的SRAM、37個(gè)GPIO（分別為PA0-PA15、PB0-PB15、PC13-PC15、PD0-PD1）、12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、計(jì)時(shí)器等[2]。

3.2ESP8266無線WIFI模塊

ESP8266無線WIFI模塊作為主控模塊和機(jī)智云平臺(tái)之間通信的橋梁，主要作用有兩個(gè)：（1）負(fù)責(zé)連接機(jī)智云平臺(tái)，并將傳感器采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至手機(jī)終端用戶，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測功能；（2）傳輸手機(jī)終端用戶下發(fā)的控制指令至STM32主控芯片，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能。為了縮短開發(fā)流程，本設(shè)計(jì)直接選用樂鑫公司開發(fā)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(shè)計(jì)中，主要有溫濕度和有害氣體濃度需要采集。在進(jìn)行對(duì)比分析后，采用DHT11溫濕度傳感器來采集室內(nèi)的溫濕度，采用MQ-135氣體傳感器采集室內(nèi)有害氣體的濃度。DHT11溫濕度傳感器具有穩(wěn)定性好、響應(yīng)快、成本低等優(yōu)點(diǎn)，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(gè)引腳，分別是VCC、GND和DQ，供電電壓為5V。在實(shí)際的應(yīng)用中，DHT11的DQ引腳與MCU的IO引腳進(jìn)行連接，用單總線通訊方式就能完成一次40bit的溫濕度數(shù)據(jù)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(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，室內(nèi)空氣中二氧化碳、氮氧化物等有害氣體濃度會(huì)顯著提升，因此可以采用MQ-135氣體傳感器來監(jiān)測室內(nèi)空氣質(zhì)量。MQ-135是測量空氣污染情況常用的一個(gè)傳感器，具有價(jià)格低、壽命長、敏感度高等特點(diǎn)，是一款適合多種應(yīng)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(gè)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(bào)警模塊

報(bào)警模塊的功能分別體現(xiàn)在室內(nèi)報(bào)警和手機(jī)終端報(bào)警兩個(gè)部分。室內(nèi)報(bào)警是指當(dāng)檢測到的溫度或有害氣體的濃度超過設(shè)定的閾值時(shí)，室內(nèi)報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒室內(nèi)人員采取相應(yīng)的應(yīng)急措施。手機(jī)終端報(bào)警是指采集到的溫度或有害氣體的濃度超過設(shè)定的閾值時(shí)，STM32主控模塊會(huì)將報(bào)警信息發(fā)出，手機(jī)終端可以實(shí)時(shí)接收到該信息，并做出相應(yīng)的處置。室內(nèi)報(bào)警電路主要由一個(gè)有源蜂鳴器、一個(gè)9012三極管和一個(gè)限流電阻組成，手機(jī)終端報(bào)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(shí)現(xiàn)用小電流控制大電流電子設(shè)備[5]。STM32主控模塊通過控制繼電器的方式達(dá)到控制空調(diào)、風(fēng)扇和電機(jī)等應(yīng)用設(shè)備的開啟或關(guān)閉的目的。繼電器輸出模塊電路原理如圖5所示，當(dāng)PA4輸出高電平時(shí)，Q2導(dǎo)通，繼電器吸合；當(dāng)PA4輸出低電平時(shí)，Q2截止，繼電器斷開。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要在MDK5平臺(tái)上采用C語言編寫，并移植了機(jī)智云協(xié)議代碼，實(shí)現(xiàn)了與機(jī)智云平臺(tái)的可靠通訊，圖6為系統(tǒng)主控流程圖。系統(tǒng)首先進(jìn)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(fā)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(dāng)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(shù)據(jù)發(fā)送至SMT32主控芯片進(jìn)行處理后，通過無線WIFI模塊傳輸至云平臺(tái)，手機(jī)終端用戶可實(shí)時(shí)查看采集到的數(shù)據(jù)。當(dāng)采集到的溫度或有害氣體濃度超出系統(tǒng)設(shè)定的閾值時(shí)，報(bào)警模塊會(huì)發(fā)出報(bào)警，室內(nèi)報(bào)警電路的蜂鳴器會(huì)一直發(fā)出蜂鳴聲，提醒室內(nèi)人員；同時(shí)，STM32F103主控芯片會(huì)通過WIFI模塊向云平臺(tái)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，手機(jī)終端用戶可實(shí)時(shí)接收到提醒；當(dāng)手機(jī)終端用戶接收到報(bào)警信號(hào)后，可通過手機(jī)APP發(fā)送相應(yīng)的控制指令來控制繼電器輸出模塊工作，從而開啟或關(guān)閉家中空調(diào)、風(fēng)扇、加濕器以及電機(jī)等家居電氣設(shè)備。

5結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)不僅能夠?qū)⑹覂?nèi)的溫濕度和有害氣體濃度狀況實(shí)時(shí)發(fā)送至手機(jī)終端，還能通過手機(jī)終端遠(yuǎn)程控制家居電氣設(shè)備，改善了傳統(tǒng)現(xiàn)場監(jiān)測在時(shí)間和空間上的局限性；同時(shí)還具備室內(nèi)本地報(bào)警和網(wǎng)絡(luò)報(bào)警功能，用戶能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)報(bào)警信息并采取有效措施，減少安全事故的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)

[1]應(yīng)急管理部.

[2]李麗榮,薄立康.STM32技術(shù)下單片機(jī)的通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).電子測試,2021(7):30-31.

[3]付文新,王洪豐.基于STM32單片機(jī)和DHT11溫濕度傳感器的溫濕度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).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(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì).智能計(jì)算機(jī)與應(yīng)用,2022(2):92-98

[5]陳成瑞,王旭康,肖欣悅.智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).無線電工程,2020(5):410-414

作者:張永志 單位:福建船政交通職業(yè)學(xué)院軌道交通學(xué)院