室内空气质量检测器的设计与实现

冬天我们大多会关闭门窗，而依靠暖通空调设备来维持室内温度。而在保证居室温度的同时，我们也希望保持居室内大气环境的健康度。鉴于此，我们设计了一个简单的室内空气质量检测器。

1、系统概述

  我们依靠暖通空调设备来维持室内温度、湿度和通风水平，以保证居住者的健康和舒适。所以我们希望设计一个小巧的、简单的、低成本室内空气质量检测器来随时监测我们居室内的空气质量。

  一般来说，我们关心的居室环境的温度、湿度、可吸入颗粒物浓度、挥发性有机物的浓度等。当然还有二氧化炭浓度等其它一些参数，不过这次我们只考虑温度、湿度、可吸入颗粒物浓度、挥发性有机物的浓度。

  对于这个室内空气检测器，我们的基本想法是设计一个可以快速成型、监测温度、湿度、可吸入颗粒物浓度、挥发性有机物浓度的手持设备。这台室内空气质量检测器温湿度、可吸入颗粒物浓度、挥发性有机物浓度并可以实时显示出来，并可以将检测出的数据向外传送。

2、硬件设计

  根据前面的描述，我们使用一个温湿度传感器来监测温度和湿度、一个可吸入颗粒物激光检测传感器来检测可吸入颗粒物浓度，一个VOC传感器来检测挥发性有机物浓度。

  为了快速实现一个室内空气质量检测器，我们采用我们所熟知的传感器及其他相应设备来实现。我们使用SHT20来实现温湿度数据的检测；使用SGP40来检测VOC浓度；使用HLPM025K3激光PM2.5传感器来检测可吸入颗粒物浓度；使用OLED来显示数据；使用串口来实现数据的传送。而处理器我们采用STM32F103C8T6来实现。

  HLPM025K3激光PM2.5传感器数据接口为TTL串行口，所以我们采用USART1端口来与之通讯。SHT20传感器的数据接口为I2C接口，我们使用I2C1来与之通讯。SGP40传感器数据接口为I2C接口，我们使用I2C2来与之通讯。显示屏我们采用了SPI接口的0.96寸OLED，所以我们使用SPI1端口来与之通讯。数据传输我们采用USART2端口来实现。所以我们设计室内空气质量检测器的组成结构图如下：

  根据上述分析及结构示意图，我们就能很容易的设计出室内空气质量检测器的控制板。

3、软件实现

  我们已经描述了室内空气质量检测器的控制板及各部分组件，接下来我们需要实现相应的软件功能。

3.1、数据采集

  数据的采集主要包括三个方面：一是使用SHT20采集温湿度数据；二是使用SGP40来采集VOC浓度数据；三是使用HLPM025K3激光PM2.5传感器来检测可吸入颗粒物浓度数据。这些数据的采集并不麻烦，在以前的文章中我们已经简述多这些设备的驱动程序的设计。在这里我们直接使用已经封装过的驱动程序来实现就可以了。

  HLPM025K3激光PM2.5传感器通过串口输出数据，包括PM2.5和PM10的数据，我们使用封装的驱动程序可以很方便的获取和解析对应的数据。具体的实现程序如下：

HlpmObjectType hlpm; //声明对象

/*PM25数据采集处理*/
void Ampm25DataProcess(void)
{
  /*解析PM2.5和PM10的数据*/
  ParsingPMData(&hlpm);
  
  aPara.phyPara.pm10Value=hlpm.pm100;
  aPara.phyPara.pm25Value=hlpm.pm25;
}
 
/*PM25数据采集配置*/
void Ampm25Configuration(void)
{
  /* PM25相关GPIO初始化配置 */
  Ampm25_GPIO_Initialization();
  
  /* USART1端口初始化配置 */
  USART1_Init_Configuration();
  
  /*允许数据发送*/
  AMPM25_RUNNING_ENABLE();
  
  /*HLPM对象初始化函数*/
  HlpmInitialization(&hlpm);
}

  需要注意的是HLPM025K3激光PM2.5传感器有一个测量控制信号，必须提供高电平才会工作。

  同样测量其它的参数也是使用我们封装的驱动程序，如使用SHT20温湿度传感器获取温湿度数据也是一样的。

/* 温湿度数据处理 */
void AmShtDataProcess(void)
{
  aPara.phyPara.temperature=GetSHT2xTemperatureValue(&sht,MEASURE_T_COMMAND_NOHOST);
  aPara.phyPara.humidity=GetSHT2xHumidityValue(&sht,MEASURE_RH_COMMAND_NOHOST);
}
 
/* 温湿度配置 */
void AmShtConfiguration(void)
{
  /* I2C1端口初始化 */
  I2C1_Init_Configuration();
  
  /* 初始化配置SHT2x */
  SHT2xInitialization(&sht,        //SHT2X对象变量
             SHT2x_DPI_RH8_T12, //测量分辨率配置
             SHT2x_End_High,   //电池结束状态配置
             SHT2xHEATERDISABLE, //加热器是否启用配置
             SHT2xOTPDISABLE,  //是否加载OTP配置
             WriteToSHT2x,    //写操作指针
             ReadFromSHT2x,   //读操作指针
             HAL_Delay);     //毫秒延时指针
}

3.2、数据显示

  前述我们已经提到了使用0.96寸的OLED来显示相应的数据。我们选用的是SPI接口的OLED显示屏。其实0.96寸的OLED驱动程序我们也是封装过的，直接使用就好。具体实现代码如下：

OledObjectType oled;  //声明OLED对象

/*OLED显示处理*/
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显示控制相关GPIO初始化配置 */
  Amoled_GPIO_Initialization();
 
  /* SPI1端口初始化 */
  SPI1_Init_Configuration();
 
  /*OLED显示屏对象初始化*/
  OledInitialization(&oled,      //OLED对象
             OLED_SPI,       //通讯端口
             0xFF,        //I2C设备地址
             AmOledWrite,        //写数据函数
             AmOledChipReset,       //复位信号操作函数指针
             AmOledDCSelcet,        //DC信号控制函数指针
             NULL,       //SPI片选信号函数指针
             HAL_Delay       //毫秒延时函数指针
               );
}

3.3 、数据传送

  数据的传输我们使用RS485的接口方式，应用层协议采用Modbus RTU协议。因为我们已经封装过Modbus协议栈，并且已经开源到GitHub，所以我们直接使用Modbus协议栈来实现我们的数据传送。

/* 上位通讯处理函数 */
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;
     }
  }
}

  关于数据传送这块，我们使用串口接收中断来接收数据请求。当然也可以直接使用定期上传的方式发送数据，则根据实际需求修改。

4、验证测试

  我们已经设计了室内空气质量检测器的软件和硬件，接下来我们运行看看其结果如何。我们将其运行起来，在我们的OLED软件中设置为一次能显示4行数据，具体结果如下图：

  这只是一个小制作，实现了一些简单的功能。在后续我们实际上可以将其功能扩展的更多。如将数据上传到网络实时查看居室内的大气环境；根据PM2.5的情况控制空气净化器的工作等。