冬天我們大多會(huì)關(guān)閉門(mén)窗，而依靠暖通空調(diào)設(shè)備來(lái)維持室內(nèi)溫度。而在保證居室溫度的同時(shí)，我們也希望保持居室內(nèi)大氣環(huán)境的健康度。鑒于此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)器。

1、系統(tǒng)概述

??我們依靠暖通空調(diào)設(shè)備來(lái)維持室內(nèi)溫度、濕度和通風(fēng)水平，以保證居住者的健康和舒適。所以我們希望設(shè)計(jì)一個(gè)小巧的、簡(jiǎn)單的、低成本室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)器來(lái)隨時(shí)監(jiān)測(cè)我們居室內(nèi)的空氣質(zhì)量。

??一般來(lái)說(shuō)，我們關(guān)心的居室環(huán)境的溫度、濕度、可吸入顆粒物濃度、揮發(fā)性有機(jī)物的濃度等。當(dāng)然還有二氧化炭濃度等其它一些參數(shù)，不過(guò)這次我們只考慮溫度、濕度、可吸入顆粒物濃度、揮發(fā)性有機(jī)物的濃度。

??對(duì)于這個(gè)室內(nèi)空氣檢測(cè)器，我們的基本想法是設(shè)計(jì)一個(gè)可以快速成型、監(jiān)測(cè)溫度、濕度、可吸入顆粒物濃度、揮發(fā)性有機(jī)物濃度的手持設(shè)備。這臺(tái)室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)器溫濕度、可吸入顆粒物濃度、揮發(fā)性有機(jī)物濃度并可以實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，并可以將檢測(cè)出的數(shù)據(jù)向外傳送。

2、硬件設(shè)計(jì)

??根據(jù)前面的描述，我們使用一個(gè)溫濕度傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)溫度和濕度、一個(gè)可吸入顆粒物激光檢測(cè)傳感器來(lái)檢測(cè)可吸入顆粒物濃度，一個(gè)VOC傳感器來(lái)檢測(cè)揮發(fā)性有機(jī)物濃度。

??為了快速實(shí)現(xiàn)一個(gè)室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)器，我們采用我們所熟知的傳感器及其他相應(yīng)設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。我們使用SHT20來(lái)實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)的檢測(cè)；使用SGP40來(lái)檢測(cè)VOC濃度；使用HLPM025K3激光PM2.5傳感器來(lái)檢測(cè)可吸入顆粒物濃度；使用OLED來(lái)顯示數(shù)據(jù)；使用串口來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送。而處理器我們采用STM32F103C8T6來(lái)實(shí)現(xiàn)。

??HLPM025K3激光PM2.5傳感器數(shù)據(jù)接口為T(mén)TL串行口，所以我們采用USART1端口來(lái)與之通訊。SHT20傳感器的數(shù)據(jù)接口為I2C接口，我們使用I2C1來(lái)與之通訊。SGP40傳感器數(shù)據(jù)接口為I2C接口，我們使用I2C2來(lái)與之通訊。顯示屏我們采用了SPI接口的0.96寸OLED，所以我們使用SPI1端口來(lái)與之通訊。數(shù)據(jù)傳輸我們采用USART2端口來(lái)實(shí)現(xiàn)。所以我們?cè)O(shè)計(jì)室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)器的組成結(jié)構(gòu)圖如下：

??根據(jù)上述分析及結(jié)構(gòu)示意圖，我們就能很容易的設(shè)計(jì)出室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)器的控制板。

3、軟件實(shí)現(xiàn)

??我們已經(jīng)描述了室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)器的控制板及各部分組件，接下來(lái)我們需要實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的軟件功能。

3.1、數(shù)據(jù)采集

??數(shù)據(jù)的采集主要包括三個(gè)方面：一是使用SHT20采集溫濕度數(shù)據(jù)；二是使用SGP40來(lái)采集VOC濃度數(shù)據(jù)；三是使用HLPM025K3激光PM2.5傳感器來(lái)檢測(cè)可吸入顆粒物濃度數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的采集并不麻煩，在以前的文章中我們已經(jīng)簡(jiǎn)述多這些設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)。在這里我們直接使用已經(jīng)封裝過(guò)的驅(qū)動(dòng)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)就可以了。

??HLPM025K3激光PM2.5傳感器通過(guò)串口輸出數(shù)據(jù)，包括PM2.5和PM10的數(shù)據(jù)，我們使用封裝的驅(qū)動(dòng)程序可以很方便的獲取和解析對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。具體的實(shí)現(xiàn)程序如下：

HlpmObjectType hlpm; //聲明對(duì)象

/*PM25數(shù)據(jù)采集處理*/
void Ampm25DataProcess(void)
{
  /*解析PM2.5和PM10的數(shù)據(jù)*/
  ParsingPMData(&hlpm);
  
  aPara.phyPara.pm10Value=hlpm.pm100;
  aPara.phyPara.pm25Value=hlpm.pm25;
}
 
/*PM25數(shù)據(jù)采集配置*/
void Ampm25Configuration(void)
{
  /* PM25相關(guān)GPIO初始化配置 */
  Ampm25_GPIO_Initialization();
  
  /* USART1端口初始化配置 */
  USART1_Init_Configuration();
  
  /*允許數(shù)據(jù)發(fā)送*/
  AMPM25_RUNNING_ENABLE();
  
  /*HLPM對(duì)象初始化函數(shù)*/
  HlpmInitialization(&hlpm);
}

??需要注意的是HLPM025K3激光PM2.5傳感器有一個(gè)測(cè)量控制信號(hào)，必須提供高電平才會(huì)工作。

??同樣測(cè)量其它的參數(shù)也是使用我們封裝的驅(qū)動(dòng)程序，如使用SHT20溫濕度傳感器獲取溫濕度數(shù)據(jù)也是一樣的。

/* 溫濕度數(shù)據(jù)處理 */
void AmShtDataProcess(void)
{
  aPara.phyPara.temperature=GetSHT2xTemperatureValue(&sht,MEASURE_T_COMMAND_NOHOST);
  aPara.phyPara.humidity=GetSHT2xHumidityValue(&sht,MEASURE_RH_COMMAND_NOHOST);
}
 
/* 溫濕度配置 */
void AmShtConfiguration(void)
{
  /* I2C1端口初始化 */
  I2C1_Init_Configuration();
  
  /* 初始化配置SHT2x */
  SHT2xInitialization(&sht,        //SHT2X對(duì)象變量
             SHT2x_DPI_RH8_T12, //測(cè)量分辨率配置
             SHT2x_End_High,   //電池結(jié)束狀態(tài)配置
             SHT2xHEATERDISABLE, //加熱器是否啟用配置
             SHT2xOTPDISABLE,  //是否加載OTP配置
             WriteToSHT2x,    //寫(xiě)操作指針
             ReadFromSHT2x,   //讀操作指針
             HAL_Delay);     //毫秒延時(shí)指針
}

3.2、數(shù)據(jù)顯示

??前述我們已經(jīng)提到了使用0.96寸的OLED來(lái)顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)。我們選用的是SPI接口的OLED顯示屏。其實(shí)0.96寸的OLED驅(qū)動(dòng)程序我們也是封裝過(guò)的，直接使用就好。具體實(shí)現(xiàn)代碼如下：

OledObjectType oled;  //聲明OLED對(duì)象

/*OLED顯示處理*/
void AmoledDisplayProcess(void)
{
  char temp[]="temp=%.2f";
  char humi[]="humi=%.2f";
  char pm25[]="PM2.5=%.2f";
  char pm10[]="PM10=%.2f";
  
  OledShowString(&oled,OLED_FONT_8x16,0,0,temp,aPara.phyPara.temperature);
  OledShowString(&oled,OLED_FONT_8x16,2,0,humi,aPara.phyPara.humidity);
  OledShowString(&oled,OLED_FONT_8x16,4,0,pm25,aPara.phyPara.pm25Value);
  OledShowString(&oled,OLED_FONT_8x16,6,0,pm10,aPara.phyPara.pm10Value);
  
}
 
/*OLED初始化配置*/
void AmoledConfiguration(void)
{
  /* OLED顯示控制相關(guān)GPIO初始化配置 */
  Amoled_GPIO_Initialization();
 
  /* SPI1端口初始化 */
  SPI1_Init_Configuration();
 
  /*OLED顯示屏對(duì)象初始化*/
  OledInitialization(&oled,      //OLED對(duì)象
             OLED_SPI,       //通訊端口
             0xFF,        //I2C設(shè)備地址
             AmOledWrite,        //寫(xiě)數(shù)據(jù)函數(shù)
             AmOledChipReset,       //復(fù)位信號(hào)操作函數(shù)指針
             AmOledDCSelcet,        //DC信號(hào)控制函數(shù)指針
             NULL,       //SPI片選信號(hào)函數(shù)指針
             HAL_Delay       //毫秒延時(shí)函數(shù)指針
               );
}

3.3 、數(shù)據(jù)傳送

??數(shù)據(jù)的傳輸我們使用RS485的接口方式，應(yīng)用層協(xié)議采用Modbus RTU協(xié)議。因?yàn)槲覀円呀?jīng)封裝過(guò)Modbus協(xié)議棧，并且已經(jīng)開(kāi)源到GitHub，所以我們直接使用Modbus協(xié)議棧來(lái)實(shí)現(xiàn)我們的數(shù)據(jù)傳送。

/* 上位通訊處理函數(shù) */
void AmUpperCommunication(void)
{
  uint16_t respondLength=0;
  if(amupcRxLength>=8)
  {
     uint8_t respondBytes[AMUPCRECEIVELENGTH];

      respondLength=ParsingMasterAccessCommand(amupcRxBuffer,respondBytes,amupcRxLength,aPara.phyPara.activeAddress);
     if(respondLength!=65535)
     {
       if(respondLength > 0)
       {
          AmupcSendByte(respondBytes,respondLength);
       }
       
       amupcRxLength=0;
     }
  }
}

??關(guān)于數(shù)據(jù)傳送這塊，我們使用串口接收中斷來(lái)接收數(shù)據(jù)請(qǐng)求。當(dāng)然也可以直接使用定期上傳的方式發(fā)送數(shù)據(jù)，則根據(jù)實(shí)際需求修改。

4、驗(yàn)證測(cè)試

??我們已經(jīng)設(shè)計(jì)了室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)器的軟件和硬件，接下來(lái)我們運(yùn)行看看其結(jié)果如何。我們將其運(yùn)行起來(lái)，在我們的OLED軟件中設(shè)置為一次能顯示4行數(shù)據(jù)，具體結(jié)果如下圖：

??這只是一個(gè)小制作，實(shí)現(xiàn)了一些簡(jiǎn)單的功能。在后續(xù)我們實(shí)際上可以將其功能擴(kuò)展的更多。如將數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)查看居室內(nèi)的大氣環(huán)境；根據(jù)PM2.5的情況控制空氣凈化器的工作等。