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WiFi智能空氣凈化器開發


人類頻繁的社會活動給環境造成巨大的壓力,空氣質量急速下降,霧霾天氣愈發嚴重,空氣污染已經嚴重危害到人類的健康,其中空氣中對人體損害的主要是PM2.5顆粒,這種顆粒分子不僅能夠進入呼吸道,還可以穿透人的細胞壁,這導致了呼吸道疾病及心血管疾病的風險提高。針對PM2.5的空氣凈化器已經成為我國北方地區家庭的標配。

隨著移動互聯網的快速發展,“互聯網+”已經成為家居電子產品設計的時尚,采用移動端進行設備的控制,大大方便和改善了人機交互功能。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,設計了具有PM2.5濃度、溫濕度等環境參數的實時顯示、報警和凈化空氣電機自動啟停控制等功能,并具備通過WiFi實現手機APP的通信和相關操作的空氣凈化器,滿足了人民日益增長的健康需要。

一、空氣凈化器系統總體設計

空氣凈化器組成主要由馬達、風扇、空氣過濾網以及其他輔助凈化裝置,如負離子發生器、高壓電路等構成。其中空氣過濾網的好壞直接影響了空氣凈化器效果的因素。本文主要針對空氣凈化器的電控系統進行設計,系統設計中采用STM32F103C8T6作為主控芯片,通過夏普GP2Y1014AU粉塵傳感器對空氣中PM2.5濃度進行檢測,同時將空氣中溫濕度的數據以及空氣質量檢測數據這三個主要輸入數據傳送給CPU,單片機對其進行處理后,參數顯示采用OLED顯示模塊,同時通過ESP8266WiFi模塊進行通信,將收集到的數據傳送到手機APP上。本系統總體設計框圖如圖1所示,其中基礎的電源部分為簡單起見,作了忽略處理。

圖1 空氣凈化器系統總體框架圖設計

二、空氣凈化器的傳感器選擇與電路設計

2.1 PM2.5傳感器接口電路設計

PM2.5采用GP2Y1014AU粉塵傳感器模塊進行檢測,它工作原理是通過紅外發光二極管反射檢測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為傳感器內部的紅外發光二極管,通過開啟它為模擬輸入來進行采集數據,和單片機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,與單片機進行AD轉換。引腳6是與電源連接。

2.2溫濕度傳感器接口電路設計

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

2.3電機接口驅動

MCU通過PWM的占空比控制L298N驅動器的電壓輸出,使其0~12 V連續可調。L298N內部含有4路邏輯驅動電路。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驅動器,由于只控制1個電機,因此只需使用IN1、IN2作為輸入接口,OUT1和OUT2作為輸出端與電機相連,實現單片機對L298N進行驅動電機的轉動,實現簡單的凈化開關操作。

2.4 WiFi模塊接口設計

ESP8266 WiFi模塊采用串口與MCU通信,內置TCP/IP協議棧,能夠實現串口與WiFi之間的轉換。通過ESP8266模塊,傳統的串口設備只是通過簡單的串口配置,也就是只需要通過網絡(WiFi)傳輸自己的內部數據。它能夠支持三種工作模式也就是STA、AP、以及STA+AP結合的模式。STA模式是通過路由器和互聯網連接,手機或者電腦可以通過互聯網對設備進行遠程控制。AP模式則以ATK_ESP8266模塊作為熱點,實現手機或者電腦直接和ESP8266進行通信,達到局域網無線控制的需求。STA+AP是兩種模式的加強版,也就是能夠通過互聯網控制實現無縫切換,方便用戶操作。該模塊引有6個接口引腳,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是復位腳,低電平有效,IO_0用于固件燒寫,默認狀態下,低電平是燒寫模式,高電平是運行模式。

三、空氣凈化器軟件設計

3.1系統軟件設計

系統軟件采用KEIL5軟件進行單片機C語言編程,軟件主要有單片機系統的初始化(時鐘初始化、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、工作代碼還有相關的數據發送傳輸接收代碼等,通過一系列的工作,最終實現數據通過液晶顯示屏以及WiFi模塊傳輸到手機APP上。首先是STM32單片機的系統初始化:

1)需要對系統時鐘使能,這是因為STM32 MCU為每個功能外設都設置了時鐘開關,當需要工作的時候開關打開,在不需要的時候關閉開關,從而達到降低能耗的目的。因而,在電源上電后,對它的時鐘使能是首要的步驟。2)對GPIO輸入輸出口的使能,也就是把需要用到的IO口進行使能ENABLE初始化操作。3)還有串口的初始化,這是設置一致的波特率,否則在系統運行的時候可能會出現問題。然后是對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,各個傳感模塊有序進行工作,MCU通過串口獲得溫度、濕度、電壓-粉塵比等數據,在顯示屏上顯示參數。同時單片機會對數據進行相應的處理,如果濃度超過了某個數值或者范圍,將進行報警并對空氣進行凈化開關。此時需要對WiFi模塊進行初始化,才可以把數據通過WiFi模塊傳輸到手機上。

3.2顯示子程序設計

本設計要利用顯示屏來顯示溫度、濕度、PM2.5相關濃度等參數,在獲得這些數據之前,必須要做的一步操作是對屏幕校準,對屏幕是否進行校準進行判斷,若已校準,則開始獲取相應的數據;如果未進行相應校準,則進行初始化,待校準完畢繼續執行操作。

3.3 APP軟件

APP軟件采用了android studio開發平臺,androidstudio是谷歌推出的一個安卓集成開發工具,基于IntelliJIDEA.它提供了集成的開發工具以供開發與調試。本次設計的終端APP主要是為了實現PM2.5濃度、溫度、濕度等參數操作。本次主要是通過將WiFi模塊作為一個熱點,然后手機APP與它進行鏈接,從而實現MCU通過WiFi與APP進行簡單的通信數據連接。APP端主要是網絡調試助手,通過對WiFi模塊的配置,設置好WiFi名字、密碼,以及TCP服務端口號。手機端需要先對WiFi進行連接,然后進入網絡調試助手,激活端口號建立好連接。本次設置的WiFi名字是“ESP8266”,密碼為“012345678”,IP及端口號分別是“192.168.4.1”、“5000”。

總結

本文設計的智能空氣凈化器,經測試實現了PM2.5濃度的實時測量,并能通過APP和按鍵實現超限報警參數的設置,當超過600 ug/m3時,將產生報警信號提示進行凈化開關操作;對溫濕度檢測精度達到溫度為20~50℃,濕度為20%~98%;同時實現了APP通過WiFi對設備的開關控制、參數顯示等相關操作。通過手機終端對空氣質量進行監測,極大的方便了用戶,用戶可在手機終端通過按鍵進行空氣凈化器進行相應的開關操作。

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