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质量监测和控制系统设计研究

1引言

火灾是人类的重大灾难之一。根据应急管理部消防救援局发布的消息,居住场所发生火灾的比例和伤亡人数要比其它的火灾数量大,2022年第一季度共接报居住场所火灾8.3万起,共造成503人死亡,占火灾总数的38%,死亡人数占总数的80.5%[1]。因此家庭防火刻不容缓,特别是一些存在线路老化、容易出现煤气泄漏或家中仅有老人独居的居住场所更应该引起重视。夏天不仅是火灾高发的时期,更是酷暑难耐的时期。体弱多病者和老人,因怕着凉或自我感官不热等各种因素,待在家里既不开空调,也不开电扇,很容易引发中暑,带来生命危险。每年夏天,独居老人因未做好降温措施,而引发中暑住进ICU病房的新闻屡见报端。如何避免此类事情的一再发生,虽然引起各方的重视,但是难免仍有疏漏。基于此,本文以STM32F103处理器为核心,利用物联网技术设计了一款简易的室内环境监测和控制系统。

2总体方案设计

该系统设计框如图1所示,主要由STM32F103主控模块、MQ-135气体传感器模块、DHT11温湿度检测模块、ESP8266无线WIFI模块、报警模块和继电器输出模块等组成。整体设计思路是,SMT32F103主控模块控制MQ-135气体传感器采集室内有害气体浓度、DHT11温湿度传感器采集室内的温湿度情况;然后将采集到的数据在STM32F103内进行处理,并将其通过ESP8266无线WIFI模块发送至机智云平台,手机终端用户可以对室内空气质量进行实时监测。如果监测到的温度或有害气体浓度超出设定的阈值,报警模块会发出报警信号,提醒室内人员采取相应的处置措施。此时,手机终端用户会收到相应的报警信息,也可通过远程控制的方式,启动家居电器或通过控制电机打开窗户。

3系统硬件电路设计

3.1STM32主控模块

主控模块作为整个系统的核心,主要负责与外围传感器设备、报警电路等进行连接、通讯以及处理采集到的传感器数据等。其主要组成包括STM32F103主控芯片、晶振电路、复位电路、滤波电路和电源电路等。STM32主控模块采用STM32F103C8T6芯片。它是一款由意法半导体公司(ST)推出的基于Cortex-M3内核的32位微控制器,运行频率可达72MH,具有较高的性价比。STM32F103C8T6拥有的资源包括64K*8bit的Flash、20K*8bit的SRAM、37个GPIO(分别为PA0-PA15、PB0-PB15、PC13-PC15、PD0-PD1)、12位模数转换器、计时器等[2]。

3.2ESP8266无线WIFI模块

ESP8266无线WIFI模块作为主控模块和机智云平台之间通信的桥梁,主要作用有两个:(1)负责连接机智云平台,并将传感器采集到的数据发送至手机终端用户,实现实时监测功能;(2)传输手机终端用户下发的控制指令至STM32主控芯片,实现远程控制功能。为了缩短开发流程,本设计直接选用乐鑫公司开发的ESP-01无线WIFI模组;在硬件连接上,该模组的RXD引脚连接至STM32的PB10(USART3_TX)引脚、TXD引脚连接至STM32的PB11(USART3_RX)引脚。需要注意的是ESP8266无线WIFI模组的供电电压是3.3V,切莫接成5V电压。

3.3传感器模块

本设计中,主要有温湿度和有害气体浓度需要采集。在进行对比分析后,采用DHT11温湿度传感器来采集室内的温湿度,采用MQ-135气体传感器采集室内有害气体的浓度。DHT11温湿度传感器具有稳定性好、响应快、成本低等优点,可测量温度范围为0℃~50℃,可测量湿度范围为20~90%RH[3]。DHT11有三个引脚,分别是VCC、GND和DQ,供电电压为5V。在实际的应用中,DHT11的DQ引脚与MCU的IO引脚进行连接,用单总线通讯方式就能完成一次40bit的温湿度数据采集。DHT11温湿度采集模块原理如图3所示。在本文中,DHT11温湿度采集模块的DQ引脚连接至STM32主控芯片的PB14引脚。当发生火灾时,室内空气中二氧化碳、氮氧化物等有害气体浓度会显著提升,因此可以采用MQ-135气体传感器来监测室内空气质量。MQ-135是测量空气污染情况常用的一个传感器,具有价格低、寿命长、敏感度高等特点,是一款适合多种应用的低成本传感器[4]。MQ-135模块原理如图4所示。该模块有四个引脚,分别是VCC、GND、Aout和Dout。本文中,将MQ-135的Aout引脚接至SMT32主控芯片的PA6(ADC)引脚。

3.4报警模块

报警模块的功能分别体现在室内报警和手机终端报警两个部分。室内报警是指当检测到的温度或有害气体的浓度超过设定的阈值时,室内报警电路发出报警信号,提醒室内人员采取相应的应急措施。手机终端报警是指采集到的温度或有害气体的浓度超过设定的阈值时,STM32主控模块会将报警信息发出,手机终端可以实时接收到该信息,并做出相应的处置。室内报警电路主要由一个有源蜂鸣器、一个9012三极管和一个限流电阻组成,手机终端报警由软件配置完成。

3.5继电器输出模块

继电器是一种电子控制器件,由输入端和输出端组成,可以实现用小电流控制大电流电子设备[5]。STM32主控模块通过控制继电器的方式达到控制空调、风扇和电机等应用设备的开启或关闭的目的。继电器输出模块电路原理如图5所示,当PA4输出高电平时,Q2导通,继电器吸合;当PA4输出低电平时,Q2截止,继电器断开。

4系统软件设计

本系统的软件设计主要在MDK5平台上采用C语言编写,并移植了机智云协议代码,实现了与机智云平台的可靠通讯,图6为系统主控流程图。系统首先进行初始化操作,包括STM32主控芯片的初始化、ESP8266的初始化和DHT11、MQ-135传感器的初始化。接着通过串口软件发送AT指令,配置ESP8266无线WIFI模块连接路由器,并确定是否连接成功。当连接成功后,DHT11温湿度传感器、MQ-135气体传感器将采集到的数据发送至SMT32主控芯片进行处理后,通过无线WIFI模块传输至云平台,手机终端用户可实时查看采集到的数据。当采集到的温度或有害气体浓度超出系统设定的阈值时,报警模块会发出报警,室内报警电路的蜂鸣器会一直发出蜂鸣声,提醒室内人员;同时,STM32F103主控芯片会通过WIFI模块向云平台发出报警信号,手机终端用户可实时接收到提醒;当手机终端用户接收到报警信号后,可通过手机APP发送相应的控制指令来控制继电器输出模块工作,从而开启或关闭家中空调、风扇、加湿器以及电机等家居电气设备。

5结论

本文设计的系统不仅能够将室内的温湿度和有害气体浓度状况实时发送至手机终端,还能通过手机终端远程控制家居电气设备,改善了传统现场监测在时间和空间上的局限性;同时还具备室内本地报警和网络报警功能,用户能够及时发现报警信息并采取有效措施,减少安全事故的发生。

参考文献

[1]应急管理部.

[2]李丽荣,薄立康.STM32技术下单片机的通信技术实验系统设计与实现.电子测试,2021(7):30-31.

[3]付文新,王洪丰.基于STM32单片机和DHT11温湿度传感器的温湿度采集系统的设计与实现.照明电器,2022(3):119-121

[4]李博,练傲.基于STM32的家庭厨房有毒气体监控系统设计.智能计算机与应用,2022(2):92-98

[5]陈成瑞,王旭康,肖欣悦.智能家居控制系统设计与实现.无线电工程,2020(5):410-414

作者:张永志 单位:福建船政交通职业学院轨道交通学院

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