基于STM32的智能室内空气质量监控系统

news2024/12/25 14:50:01

1. 引言

智能室内空气质量监控系统用于实时监测环境中的空气质量，通过检测空气中的CO2、PM2.5、温湿度等参数，确保室内空气清新。当空气质量低于设定标准时，系统会发出警报并显示实时数据。本文介绍如何使用STM32微控制器、空气质量传感器等硬件实现一个智能的空气质量监控系统。

2. 项目背景

空气质量对健康有着直接影响，特别是在密闭的室内环境中，空气污染会影响人体健康。传统的空气质量检测设备通常较为昂贵，而通过嵌入式系统可以设计出更加经济实惠的监控设备。利用STM32与多个传感器，可以实现对空气质量的监控，并实时给出反馈和报警。

3. 环境准备

硬件准备

STM32开发板：STM32F407或类似的微控制器
MQ-135空气质量传感器：用于检测空气中的CO2和其他有害气体
PM2.5传感器：用于检测空气中的颗粒物浓度
DHT11温湿度传感器：用于检测环境温度和湿度
OLED显示屏：用于显示空气质量参数
蜂鸣器：用于空气质量超标时报警
LED灯：用于指示空气质量状态
面包板及连接线：用于硬件连接

软件安装与配置

Keil uVision：用于编写和编译代码。
STM32CubeMX：用于配置STM32的引脚和外设。
ST-Link Utility：用于将代码下载到STM32开发板中。

步骤：

下载并安装Keil uVision。
下载并安装STM32CubeMX。
使用ST-Link Utility烧录代码到STM32。

4. 系统设计

系统架构

智能空气质量监控系统的架构包含以下模块：

空气质量检测模块：通过MQ-135传感器和PM2.5传感器监控CO2、PM2.5等有害气体和颗粒物浓度。
环境监测模块：通过DHT11传感器检测环境温度和湿度，确保舒适的环境。
显示与报警模块：通过OLED显示屏显示当前空气质量数据，当空气质量超标时，通过蜂鸣器和LED灯进行报警提示。
数据记录模块：可以扩展为记录空气质量数据，并提供给PC端进行进一步分析。

关键技术

多传感器数据采集：STM32通过多个传感器采集空气质量数据，确保数据的实时性和准确性。
空气质量分析与报警：将采集的数据与设定阈值比较，判断空气质量是否正常，并在超标时发出报警。
实时显示与数据记录：OLED显示屏用于实时显示温度、湿度、CO2、PM2.5等数据，系统还可以扩展数据记录功能。

5. 代码示例

传感器数据采集与处理

#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "dht11.h"
#include "adc.h"

// 初始化传感器
void Sensor_Init(void) {
    DHT11_Init();  // 初始化温湿度传感器
    // 初始化ADC用于MQ-135和PM2.5传感器
    MX_ADC1_Init();
}

// 读取空气质量传感器数据
uint32_t Read_Air_Quality(void) {
    HAL_ADC_Start(&hadc1);
    HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, HAL_MAX_DELAY);
    uint32_t air_quality_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
    HAL_ADC_Stop(&hadc1);
    return air_quality_value;
}

// 读取PM2.5传感器数据
uint32_t Read_PM25(void) {
    HAL_ADC_Start(&hadc2);
    HAL_ADC_PollForConversion(&hadc2, HAL_MAX_DELAY);
    uint32_t pm25_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc2);
    HAL_ADC_Stop(&hadc2);
    return pm25_value;
}

// 读取温湿度数据
void Read_Temperature_Humidity(void) {
    DHT11_DataTypedef DHT11_Data;
    DHT11_ReadData(&DHT11_Data);
    printf("Temperature: %d.%d°C, Humidity: %d.%d%%\n", 
           DHT11_Data.Temperature, DHT11_Data.TemperatureDecimal, 
           DHT11_Data.Humidity, DHT11_Data.HumidityDecimal);
}

空气质量分析与报警

// 初始化蜂鸣器和LED
void Alarm_Init(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
    
    // 配置蜂鸣器和LED引脚
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_1;  // LED和蜂鸣器引脚
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
}

// 空气质量报警
void Air_Quality_Alarm(uint32_t air_quality, uint32_t pm25) {
    uint32_t air_quality_threshold = 1000;  // 空气质量阈值
    uint32_t pm25_threshold = 75;  // PM2.5阈值

    if (air_quality > air_quality_threshold || pm25 > pm25_threshold) {
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_SET);  // 蜂鸣器报警
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET);  // LED亮起
    } else {
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_RESET);  // 关闭蜂鸣器
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_RESET);  // 关闭LED
    }
}

显示与数据记录功能

// OLED显示空气质量数据
void Display_Data(uint32_t air_quality, uint32_t pm25, int temperature, int humidity) {
    char displayStr[64];
    sprintf(displayStr, "AQ: %lu ppm\nPM2.5: %lu ug/m3\nTemp: %dC Hum: %d%%", 
            air_quality, pm25, temperature, humidity);
    OLED_DisplayString(displayStr);
}

// 主程序循环
int main(void) {
    HAL_Init();
    Sensor_Init();
    Alarm_Init();
    
    while (1) {
        uint32_t air_quality = Read_Air_Quality();  // 读取空气质量
        uint32_t pm25 = Read_PM25();  // 读取PM2.5浓度
        DHT11_DataTypedef DHT11_Data;
        DHT11_ReadData(&DHT11_Data);  // 读取温湿度

        // 显示空气质量、温湿度数据
        Display_Data(air_quality, pm25, DHT11_Data.Temperature, DHT11_Data.Humidity);

        // 检查空气质量是否超标并触发报警
        Air_Quality_Alarm(air_quality, pm25);

        HAL_Delay(2000);  // 延迟2秒
    }
}