冬天我們大多會關閉門窗，而依靠暖通空調設備來維持室內溫度。而在保證居室溫度的同時，我們也希望保持居室內大氣環境的健康度。鑒於此，我們設計了一個簡單的室內空氣質量檢測器。
1、系統概述
我們依靠暖通空調設備來維持室內溫度、濕度和通風水平，以保證居住者的健康和舒適。所以我們希望設計一個小巧的、簡單的、低成本室內空氣質量檢測器來隨時監測我們居室內的空氣質量。
一般來說，我們關心的居室環境的溫度、濕度、可吸入顆粒物濃度、揮發性有機物的濃度等。當然還有二氧化炭濃度等其它一些參數，不過這次我們只考慮溫度、濕度、可吸入顆粒物濃度、揮發性有機物的濃度。
對於這個室內空氣檢測器，我們的基本想法是設計一個可以快速成型、監測溫度、濕度、可吸入顆粒物濃度、揮發性有機物濃度的手持設備。這台室內空氣質量檢測器溫濕度、可吸入顆粒物濃度、揮發性有機物濃度並可以實時顯示出來，並可以將檢測出的數據向外傳送。
2、硬件設計
根據前面的描述，我們使用一個溫濕度傳感器來監測溫度和濕度、一個可吸入顆粒物激光檢測傳感器來檢測可吸入顆粒物濃度，一個VOC傳感器來檢測揮發性有機物濃度。
為了快速實現一個室內空氣質量檢測器，我們采用我們所熟知的傳感器及其他相應設備來實現。我們使用SHT20來實現溫濕度數據的檢測；使用SGP40來檢測VOC濃度；使用HLPM025K3激光PM2.5傳感器來檢測可吸入顆粒物濃度；使用OLED來顯示數據；使用串口來實現數據的傳送。而處理器我們采用STM32F103C8T6來實現。
HLPM025K3激光PM2.5傳感器數據接口為TTL串行口，所以我們采用USART1端口來與之通訊。SHT20傳感器的數據接口為I2C接口，我們使用I2C1來與之通訊。SGP40傳感器數據接口為I2C接口，我們使用I2C2來與之通訊。顯示屏我們采用了SPI接口的0.96寸OLED，所以我們使用SPI1端口來與之通訊。數據傳輸我們采用USART2端口來實現。所以我們設計室內空氣質量檢測器的組成結構圖如下：
根據上述分析及結構示意圖，我們就能很容易的設計出室內空氣質量檢測器的控制板。
3、軟件實現
我們已經描述了室內空氣質量檢測器的控制板及各部分組件，接下來我們需要實現相應的軟件功能。
3.1、數據采集
數據的采集主要包括三個方面：一是使用SHT20采集溫濕度數據；二是使用SGP40來采集VOC濃度數據；三是使用HLPM025K3激光PM2.5傳感器來檢測可吸入顆粒物濃度數據。這些數據的采集並不麻煩，在以前的文章中我們已經簡述多這些設備的驅動程序的設計。在這里我們直接使用已經封裝過的驅動程序來實現就可以了。
HLPM025K3激光PM2.5傳感器通過串口輸出數據，包括PM2.5和PM10的數據，我們使用封裝的驅動程序可以很方便的獲取和解析對應的數據。具體的實現程序如下：
HlpmObjectType hlpm; //聲明對象
/*PM25數據采集處理*/
void Ampm25DataProcess(void)
{
/*解析PM2.5和PM10的數據*/
ParsingPMData(&hlpm);
aPara.phyPara.pm10Value=hlpm.pm100;
aPara.phyPara.pm25Value=hlpm.pm25;
}
/*PM25數據采集配置*/
void Ampm25Configuration(void)
{
/* PM25相關GPIO初始化配置 */
Ampm25_GPIO_Initialization();
/* USART1端口初始化配置 */
USART1_Init_Configuration();
/*允許數據發送*/
AMPM25_RUNNING_ENABLE();
/*HLPM對象初始化函數*/
HlpmInitialization(&hlpm);
}
需要注意的是HLPM025K3激光PM2.5傳感器有一個測量控制信號，必須提供高電平才會工作。
同樣測量其它的參數也是使用我們封裝的驅動程序，如使用SHT20溫濕度傳感器獲取溫濕度數據也是一樣的。
/* 溫濕度數據處理 */
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對象變量
SHT2x_DPI_RH8_T12, //測量分辨率配置
SHT2x_End_High, //電池結束狀態配置
SHT2xHEATERDISABLE, //加熱器是否啟用配置
SHT2xOTPDISABLE, //是否加載OTP配置
WriteToSHT2x, //寫操作指針
ReadFromSHT2x, //讀操作指針
HAL_Delay); //毫秒延時指針
}
3.2、數據顯示
前述我們已經提到了使用0.96寸的OLED來顯示相應的數據。我們選用的是SPI接口的OLED顯示屏。其實0.96寸的OLED驅動程序我們也是封裝過的，直接使用就好。具體實現代碼如下：
OledObjectType oled; //聲明OLED對象
/*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GPIO初始化配置 */
Amoled_GPIO_Initialization();
/* SPI1端口初始化 */
SPI1_Init_Configuration();
/*OLED顯示屏對象初始化*/
OledInitialization(&oled, //OLED對象
OLED_SPI, //通訊端口
0xFF, //I2C設備地址
AmOledWrite, //寫數據函數
AmOledChipReset, //復位信號操作函數指針
AmOledDCSelcet, //DC信號控制函數指針
NULL, //SPI片選信號函數指針
HAL_Delay //毫秒延時函數指針
);
}
3.3****、數據傳送
數據的傳輸我們使用RS485的接口方式，應用層協議采用Modbus RTU協議。因為我們已經封裝過Modbus協議棧，並且已經開源到GitHub，所以我們直接使用Modbus協議棧來實現我們的數據傳送。
/* 上位通訊處理函數 */
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;
}
}
}
關於數據傳送這塊，我們使用串口接收中斷來接收數據請求。當然也可以直接使用定期上傳的方式發送數據，則根據實際需求修改。
4、驗證測試
我們已經設計了室內空氣質量檢測器的軟件和硬件，接下來我們運行看看其結果如何。我們將其運行起來，在我們的OLED軟件中設置為一次能顯示4行數據，具體結果如下圖：
這只是一個小制作，實現了一些簡單的功能。在后續我們實際上可以將其功能擴展的更多。如將數據上傳到網絡實時查看居室內的大氣環境；根據PM2.5的情況控制空氣凈化器的工作等。
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