WiFi智能空氣凈化器開發(fā)

人類頻繁的社會(huì)活動(dòng)給環(huán)境造成巨大的壓力，空氣質(zhì)量急速下降，霧霾天氣愈發(fā)嚴(yán)重，空氣污染已經(jīng)嚴(yán)重危害到人類的健康，其中空氣中對(duì)人體損害的主要是PM2.5顆粒，這種顆粒分子不僅能夠進(jìn)入呼吸道，還可以穿透人的細(xì)胞壁，這導(dǎo)致了呼吸道疾病及心血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)提高。針對(duì)PM2.5的空氣凈化器已經(jīng)成為我國(guó)北方地區(qū)家庭的標(biāo)配。

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，“互聯(lián)網(wǎng)+”已經(jīng)成為家居電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的時(shí)尚，采用移動(dòng)端進(jìn)行設(shè)備的控制，大大方便和改善了人機(jī)交互功能。本文采用STM32F103和PM2.5濃度傳感器、溫濕度傳感器以及WIFI模組等，設(shè)計(jì)了具有PM2.5濃度、溫濕度等環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示、報(bào)警和凈化空氣電機(jī)自動(dòng)啟停控制等功能，并具備通過WiFi實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP的通信和相關(guān)操作的空氣凈化器，滿足了人民日益增長(zhǎng)的健康需要。

一、空氣凈化器系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

空氣凈化器組成主要由馬達(dá)、風(fēng)扇、空氣過濾網(wǎng)以及其他輔助凈化裝置，如負(fù)離子發(fā)生器、高壓電路等構(gòu)成。其中空氣過濾網(wǎng)的好壞直接影響了空氣凈化器效果的因素。本文主要針對(duì)空氣凈化器的電控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用STM32F103C8T6作為主控芯片，通過夏普GP2Y1014AU粉塵傳感器對(duì)空氣中PM2.5濃度進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)將空氣中溫濕度的數(shù)據(jù)以及空氣質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)這三個(gè)主要輸入數(shù)據(jù)傳送給CPU，單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行處理后，參數(shù)顯示采用OLED顯示模塊,同時(shí)通過ESP8266WiFi模塊進(jìn)行通信，將收集到的數(shù)據(jù)傳送到手機(jī)APP上。本系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，其中基礎(chǔ)的電源部分為簡(jiǎn)單起見，作了忽略處理。

二、空氣凈化器的傳感器選擇與電路設(shè)計(jì)

2.1 PM2.5傳感器接口電路設(shè)計(jì)

PM2.5采用GP2Y1014AU粉塵傳感器模塊進(jìn)行檢測(cè),它工作原理是通過紅外發(fā)光二極管反射檢測(cè)灰塵在空氣中的含量，通過輸出脈沖的高度來判斷PM2.5的濃度。它的輸出是與空氣中粉塵濃度成正比的電壓模擬量，其靈敏度為0.5 V/0.1 mg/m3。傳感器模塊的引腳1、2是工作電源的電源和地。引腳3為傳感器內(nèi)部的紅外發(fā)光二極管，通過開啟它為模擬輸入來進(jìn)行采集數(shù)據(jù)，和單片機(jī)IO口連接。然后引腳4是接地GND。引腳5是作為傳感器輸出口，與單片機(jī)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。引腳6是與電源連接。

2.2溫濕度傳感器接口電路設(shè)計(jì)

DHT11溫濕度傳感器模塊是單總線串行接口，濕度測(cè)量范圍為0%~100%，測(cè)量誤差±5%；測(cè)溫范圍在0~50℃，而它的誤差在±2%。傳感器模塊工作電壓為3.3~5 V，輸出形式為數(shù)字化輸出。

2.3電機(jī)接口驅(qū)動(dòng)

MCU通過PWM的占空比控制L298N驅(qū)動(dòng)器的電壓輸出，使其0~12 V連續(xù)可調(diào)。L298N內(nèi)部含有4路邏輯驅(qū)動(dòng)電路。其中，L298N芯片可支持兩路輸入輸出，ENA、ENB為使能通道端，通過ENA與STM32的PWM輸出相連，用來使能L298N驅(qū)動(dòng)器，由于只控制1個(gè)電機(jī)，因此只需使用IN1、IN2作為輸入接口，OUT1和OUT2作為輸出端與電機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)L298N進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的凈化開關(guān)操作。

2.4 WiFi模塊接口設(shè)計(jì)

ESP8266 WiFi模塊采用串口與MCU通信，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)串口與WiFi之間的轉(zhuǎn)換。通過ESP8266模塊，傳統(tǒng)的串口設(shè)備只是通過簡(jiǎn)單的串口配置，也就是只需要通過網(wǎng)絡(luò)（WiFi）傳輸自己的內(nèi)部數(shù)據(jù)。它能夠支持三種工作模式也就是STA、AP、以及STA+AP結(jié)合的模式。STA模式是通過路由器和互聯(lián)網(wǎng)連接，手機(jī)或者電腦可以通過互聯(lián)網(wǎng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。AP模式則以ATK_ESP8266模塊作為熱點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)或者電腦直接和ESP8266進(jìn)行通信，達(dá)到局域網(wǎng)無線控制的需求。STA+AP是兩種模式的加強(qiáng)版，也就是能夠通過互聯(lián)網(wǎng)控制實(shí)現(xiàn)無縫切換，方便用戶操作。該模塊引有6個(gè)接口引腳，其中VCC引腳主要是接電源，GND和地相連，模塊的TXD引腳作為串口發(fā)送腳，與MCU的RXD引腳連接，而模塊的RXD引腳作為串口接受腳是與MCU的TXD連接，RESET是復(fù)位腳，低電平有效，IO_0用于固件燒寫，默認(rèn)狀態(tài)下，低電平是燒寫模式，高電平是運(yùn)行模式。

三、空氣凈化器軟件設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用KEIL5軟件進(jìn)行單片機(jī)C語(yǔ)言編程，軟件主要有單片機(jī)系統(tǒng)的初始化（時(shí)鐘初始化、GPIO初始化等）、所需傳感器的初始化、WiFi通訊模塊的初始化、OLED的初始化、工作代碼還有相關(guān)的數(shù)據(jù)發(fā)送傳輸接收代碼等，通過一系列的工作，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通過液晶顯示屏以及WiFi模塊傳輸?shù)绞謾C(jī)APP上。首先是STM32單片機(jī)的系統(tǒng)初始化：

1）需要對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘使能，這是因?yàn)镾TM32 MCU為每個(gè)功能外設(shè)都設(shè)置了時(shí)鐘開關(guān)，當(dāng)需要工作的時(shí)候開關(guān)打開，在不需要的時(shí)候關(guān)閉開關(guān)，從而達(dá)到降低能耗的目的。因而，在電源上電后，對(duì)它的時(shí)鐘使能是首要的步驟。2）對(duì)GPIO輸入輸出口的使能，也就是把需要用到的IO口進(jìn)行使能ENABLE初始化操作。3）還有串口的初始化，這是設(shè)置一致的波特率，否則在系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)候可能會(huì)出現(xiàn)問題。然后是對(duì)傳感器的初始化以及液晶屏初始化，如DHT11溫濕度傳感模塊、GP2Y1014AU粉塵傳感器等，各個(gè)傳感模塊有序進(jìn)行工作，MCU通過串口獲得溫度、濕度、電壓-粉塵比等數(shù)據(jù)，在顯示屏上顯示參數(shù)。同時(shí)單片機(jī)會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，如果濃度超過了某個(gè)數(shù)值或者范圍，將進(jìn)行報(bào)警并對(duì)空氣進(jìn)行凈化開關(guān)。此時(shí)需要對(duì)WiFi模塊進(jìn)行初始化，才可以把數(shù)據(jù)通過WiFi模塊傳輸?shù)绞謾C(jī)上。

3.2顯示子程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)要利用顯示屏來顯示溫度、濕度、PM2.5相關(guān)濃度等參數(shù)，在獲得這些數(shù)據(jù)之前，必須要做的一步操作是對(duì)屏幕校準(zhǔn)，對(duì)屏幕是否進(jìn)行校準(zhǔn)進(jìn)行判斷，若已校準(zhǔn)，則開始獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)；如果未進(jìn)行相應(yīng)校準(zhǔn)，則進(jìn)行初始化，待校準(zhǔn)完畢繼續(xù)執(zhí)行操作。

3.3 APP軟件

APP軟件采用了android studio開發(fā)平臺(tái)，androidstudio是谷歌推出的一個(gè)安卓集成開發(fā)工具，基于IntelliJIDEA.它提供了集成的開發(fā)工具以供開發(fā)與調(diào)試。本次設(shè)計(jì)的終端APP主要是為了實(shí)現(xiàn)PM2.5濃度、溫度、濕度等參數(shù)操作。本次主要是通過將WiFi模塊作為一個(gè)熱點(diǎn)，然后手機(jī)APP與它進(jìn)行鏈接，從而實(shí)現(xiàn)MCU通過WiFi與APP進(jìn)行簡(jiǎn)單的通信數(shù)據(jù)連接。APP端主要是網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手，通過對(duì)WiFi模塊的配置，設(shè)置好WiFi名字、密碼，以及TCP服務(wù)端口號(hào)。手機(jī)端需要先對(duì)WiFi進(jìn)行連接，然后進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手，激活端口號(hào)建立好連接。本次設(shè)置的WiFi名字是“ESP8266”，密碼為“012345678”，IP及端口號(hào)分別是“192.168.4.1”、“5000”。

總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的智能空氣凈化器，經(jīng)測(cè)試實(shí)現(xiàn)了PM2.5濃度的實(shí)時(shí)測(cè)量，并能通過APP和按鍵實(shí)現(xiàn)超限報(bào)警參數(shù)的設(shè)置，當(dāng)超過600 ug/m3時(shí)，將產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)提示進(jìn)行凈化開關(guān)操作；對(duì)溫濕度檢測(cè)精度達(dá)到溫度為20~50℃，濕度為20%~98%；同時(shí)實(shí)現(xiàn)了APP通過WiFi對(duì)設(shè)備的開關(guān)控制、參數(shù)顯示等相關(guān)操作。通過手機(jī)終端對(duì)空氣質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，極大的方便了用戶，用戶可在手機(jī)終端通過按鍵進(jìn)行空氣凈化器進(jìn)行相應(yīng)的開關(guān)操作。

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