基于单片机的室内环境监测系统

摘要

本发明公开了一种基于单片机的室内环境监测系统，包括单片机控制模块、数据采集模块、参数输出模块、数据存储模块智能APP控制模块和电源模块等模块，能够实现对室内环境的温度、湿度、可燃气体浓度、光照强度、二氧化碳浓度、甲醛浓度和PM2.5等的在线实时监控，并且能够实现对室内主要空气指标的监测、报警与控制以及自动采取进行室内环境改善，具有实时性强、安全性高、测量精确、交互性好、操作简单、适用范围广等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及室内各环境参数的监测，具体涉及一种基于单片机的室内环境监测系统。

背景技术

人的一生中有约百分之八十甚至更甚的时间都是在室内活动，包括工作、学习以及休息等，而老幼病残等人群室内活动的时间更久。室内空气质量对人们健康问题影响巨大，甚至这直接影响着子女的健康成长及人类自身的持续发展。因此，对室内环境的实时监测对人们尤为重要。

目前室内环境的监测主要是由专业技术人员在一定的时间内对特定的环境指标进行监测，费时费力，监测项目单一，监测实时性差，操作自动化程度相对较低，可人为的对一段时间内的监测指标作出判断，不能实时进行环境舒适度的评测以及危害人体健康事件进行预警，并且采取一定的改善措施。因此，可以实现室内环境实时监测、及时了解室内环境各项参数、并采取一定措施改善室内环境的综合性室内环境监测系统应当及时被发明。

发明内容

(一)解决技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于单片机的室内环境监测系统，实现对室内环境参数的综合监测以及控制，解决了现有室内环境监测技术费时费力，监测项目单一，实时性差，自动化程度低，不能对危害人体健康事件进行预警，不能实时监测环境参数，不能采取一定改善措施的问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本方案中的基于单片机的室内环境监测系统，包括单片机控制模块、数据采集模块、数据输出模块、数据存储模块、智能APP模块、Wi-Fi模块和电源模块等模块；数据采集模块包括数据发送模块、温湿度监测模块、可燃气体浓度监测模块、光照强度监测模块、CO2监测模块、甲醛监测模块和PM2.5监测模块；数据输出模块主要包括LCD显示模块、警报模块、驱动模块、N20减速电机、窗帘和新风扇。

所述单片机控制模块接收数据发送模块发送的各监测模块监测数据并进行处理，通过LCD显示模块显示，同时判断警报模块和驱动模块是否开启，并且将数据存储在数据存储模块中；

所述数据存储模块用于对监测到的室内环境各参数进行存储；

所述数据采集模块、Wi-Fi模块通过软性电路板(FPC)排线与单片机控制模块相连接；

所述智能APP模块可安装在手机或PC端，用于用户对环境参数进行获取或下达指令对单片机控制模块进行控制；

所述电源模块根据各个模块电源电压的需求使用了USB延长线来为各个模块供电，保证了电压的稳定性，从而保证了数据不会间断、缺漏，使收集到的数据更加全面、具体；

所述Wi-Fi模块接入智能云平台，为监测设备添加联网功能，与智能APP模块绑定后可将监测信息发送间接至手机或PC端，实现人机友好交互；

所述温湿度采集模块用于监测室内环境的温湿度，并将数据通过数据发送模块发送至单片机控制模块；

所述可燃气体监测模块用于监测室内环境的可燃气体浓度，并将数据通过数据发送模块发送至单片机控制模块；

所述光照强度监测模块用于监测室内环境的光照强度，并将数据通过数据发送模块发送至单片机控制模块；

所述CO2监测模块用于监测室内环境的二氧化碳浓度，并将数据通过数据发送模块发送至单片机控制模块

所述甲醛监测模块用于监测室内环境的甲醛浓度，并将数据通过数据发送模块发送至单片机控制模块；

所述PM2.5监测模块用于监测室内环境的粉尘浓度，并将数据通过数据发送模块发送至单片机控制模块；

所述LCD显示模块用于对单片机处理后的各项参数进行数字显示；

所述警报模块用于发出警报、提示告警居住者室内环境异常指标，或促使用户及时采取处理行动；

所述驱动模块用于驱动N20减速电机和新风扇实现室内环境与外界环境连通状态的控制；

所述N20减速电机用于窗帘的拉开、关闭，调节室内光照；

所述窗帘受N20减速电机控制，电机正传窗帘拉上，电机反转窗帘打开；

所述新风扇受驱动模块控制，开启则通风用于调节室内可燃气体浓度、CO2浓度、甲醛、PM2.5等参数。

(三)有益效果

本发明提供了一种基于单片机的室内环境监测系统，与现有技术相比具有以下有益效果：

(1)该基于单片机的室内环境监测系统以STM32F407为控制核心，结合传感器监测，监测项目丰富，可实时监测，提高了监测技术的自动化程度，能够对危害人体健康事件进行预警，实时监测环境参数，并且采取一定改善措施的问题。(2)该基于单片机的室内环境监测系统安装方便、易维护、易操作、功耗低，适合全体具有自主行为能力的男女老少。

(3)该基于单片机的室内环境监测系统通过Wi-Fi模块接入智能云平台，用户只需通过访问绑定APP就可以随时获得当前室内环境状况，亦可通过APP下达指令控制驱动模块，调节室内环境。

附图说明

图1是本发明提供的具有单片机的室内环境监测系统框图。

图2是本发明提供的窗帘制动结构图。

图中，1.单片机控制模块、2.数据采集模块、3.数据发送模块、4.数据输出模块、5.数据存储模块、6.智能APP模块、7.电源模块、8.温湿度监测模块、9.可燃气体浓度监测模块、10.光照强度监测模块、11.CO2监测模块、12.甲醛监测模块、13.PM2.5监测模块、14.LCD显示模块、15.警报模块、16.驱动模块、17.Wi-Fi模块、18.N20减速电机、19.窗帘、20.新风扇、21.皮带轮、22.钢丝、23.夹扣、24.窗帘轨道。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

基于单片机的室内环境监测系统，如图1所示：包括单片机控制模块1、数据采集模块2、数据输出模块4、数据存储模块5、智能APP模块6和电源模块7等模块；数据采集模块包括数据发送模块3、温湿度采集模块8、可燃气体浓度监测模块9、光照强度监测模块10、CO2监测模块11、甲醛监测模块12、PM2.5监测模块13；数据输出模块主要包括LCD显示模块14、警报模块15和驱动模块16。

单片机控制模块1与数据发送模块3、Wi-Fi模块7等模块之间的连线采用FPC排线连接，即温湿度监测模块8、可燃气体浓度监测模块9、光照强度监测模块10、CO2监测模块11、甲醛监测模块12、PM2.5监测模块13与单片机控制模块1之间的连线采用FPC排线连接，其焊接头小而排线可弯折；Wi-Fi模块7与智能APP模块通过无线连接；N20减速电机18、新风扇20与驱动模块通过软电线相连；各模块与电源模块之间采用USB延长线连接。

数据存储模块5用于存储来自单片机控制模块1的监测数据，以便使用者读取，存储卡内存大小选择32G。

智能APP模块6通过Wi-Fi模块17与单片机控制模块1无线连接，用户可以随时通过联网用户端对数据进行调取，获得当前室内环境各参数。如果环境监测系统的自动控制出现问题，用户亦可以通过智能APP下达指令调节室内环境措施。

Wi-Fi模块17采用USB转ESP8266 Wi-Fi模块，支持标准的IEEE802.11b/g/n协议，有完整的TCP/IP协议栈，可以为现有的设备添加联网功能，也可以构建独立的网络控制器。在本发明中，Wi-Fi模块17可连接手机热点、家用Wi-Fi网络实现联网，通过设备配置将单片机控制模块1将监测到的数据通过Wi-Fi模块17发送至机智云，智能APP模块6与Wi-Fi模块17绑定通过访问机智云实现与单片机控制模块1的间接连接，智能APP模块6可读取单片机控制模块1接收到的以及存储的监测信息，实现人机交互。

温湿度监测模块8连接数据发送模块，温湿度监测模块8用于实时获取当前监测环境中的温湿度，将采集到的模拟信号进行模数转换，然后通过数据发送模块3发送至单片机控制模块1，经单片机进行信号处理，通过LCD显示模块14进行显示，并于内部设置的阈值进行比较判断警报模块15和驱动模块16开启与否。温湿度监测模块8可通过使用现有的数字式传感器来监测环境温湿度，本发明选用DHT22数字式传感器。

可燃气体浓度监测模块9连接数据发送模块，可燃气体浓度监测模块9用于实时获取当前监测环境中的可燃气体浓度，将采集到的信号通过数据发送模块3发送至单片机控制模块1，经单片机进行信号处理，通过LCD显示模块14进行显示，并于内部设置的阈值进行比较判断警报模块15和驱动模块16开启与否，驱动模块16驱动新风扇20与否。可燃气体浓度模块9可通过使用MQ系列烟雾传感器监测环境可燃气体浓度，本发明选用MQ-2型烟雾传感器。

光照强度监测模块10连接数据发送模块3，光照强度监测模块10用于实时获取当前监测环境的光照，将信号通过数据发送模块3发送至单片机控制模块1，经单片机控制模块1进行信号处理，经单片机进行信号处理，将收到的光照信号强度进行分级，通过LCD显示模块14进行等级显示，并根据不同级别的指数开启驱动模块16驱动N20减速电机拉开窗帘。光照强度模块10可通过光敏型传感器对环境光照进行监测，本发明选用光敏电阻。

CO2监测模块11与数据发送模块3相连，CO2监测模块11用于实时监测当前环境的二氧化碳浓度，将监测到的数据通过数据发送模块3发送至单片机控制模块1，单片机进行信号处理后，通过LCD显示模块14进行显示，同时与内部设定阈值进行比较，判断驱动模块16与警报模块15驱动用否。超出阈值发出警报，开启驱动模块16开启新风扇20进行通风。CO2监测模块可通过传感器对环境中二氧化碳浓度进行监测，本发明选用MH-Z19B二氧化碳气体传感器。

甲醛监测模块12与数据发送模块3相连，甲醛监测模块12用于实时监测当前监测环境的甲醛浓度，将监测到的数据通过数据发送模块3发送至单片机控制模块1，单片机进行信号处理，同时通过LCD显示模块14进行显示，判断驱动模块16和警报模块15开启与否。超出阈值发出警报，开启新风扇20进行通风。甲醛监测模块12可通过传感器的使用监测环境中的甲醛浓度，本发明选用ZE08-CH2O型电化学甲醛传感器。

PM2.5监测模块13连接数据发送模块3，PM2.5监测模块13用于实时监测当前环境的PM2.5含量，并通过数据发送模块3将监测到的数据发送至单片机控制模块1，单片机进行信号处理，通过LCD显示模块14进行显示，并于内部设置的阈值进行比较判断是否开启警报模块15和驱动模块16驱动新风扇20进行通风。PM2.5监测模块13可通过智能型气体监测模组或者传感器来监测环境中的PM2.5、PM1.0等参数，本发明选用ZH03A激光粉尘传感器。

数据发送模块3用于接受来自各个监测模块的数据，并将接收到的数据发送至单片机控制模块1进行处理。

单片机控制模块1每隔1s采样1次温湿度传感器数值，并将这些数据或进行模数转换并于阈值进行比较，当连续采样10次均超过设定阈值时，自动开启或关闭驱动模块16、警报模块15，本次发明选择STM32系列单片机中的STM32F103ZET6。

LCD显示模块14用于接收来自单片机控制模块1的采集信息，将采集到的信息如实反映到LCD液晶显示屏上实现友好的人机交互，液晶显示屏可以选择TFLCD或ISPLCD，本次发明选择TFLCD屏。

警报模块15预先设定适合人体的标准空气指标阈值，一旦监测到室内某些空气指标超出阈值时，接收来自单片机控制模块1的开、停信号，超过设定的阈值，警报模块启动，发出警报信息，提醒当前室内环境的活动者及时采取措施，以免引发重大事故。警报模块可采用蜂鸣器警报、LED灯闪烁警报或者两者结合的声光警报，本次选用声光报警。

驱动模块16用于接收单片机控制模块1的启停信号，超过设定的阈值，驱动模块启动，开启新风扇20、驱动N20减速电机19，进行室内通风或者拖动窗帘19，改善室内环境。

单片机控制模块1控制算法采用二位式闭环控制算法，主要是将用户设定阈值与各数据采集模块的传感器对室内环境参数的实时监测数据在单片机控制模块1中进行比较处理，根据比较结果自动开启或者关闭驱动模块16来改善室内环境。

具体使用时，温湿度监测模块8通过数字温湿度传感器进行数据采集，由于传感器具有模数转换功能会在其内部将模拟量转化成数字量。单片机控制模块1读取经数据发送模块2传来的信号后，将数据写入LCD显示模块14，同时将获得的数值与预先设定的温湿度阈值进行比较，阈值设定根据相关标准，结合冬夏适宜温湿度范围取定为：温度16摄氏度到28摄氏度，相对湿度40％到60％。当监测到的数据超出阈值时启动报警。当下一次监测到的数值在预设临界值之内时，警报解除、驱动模块关闭。

在可燃气体浓度监测模块9采集信息时需要考虑两个问题，一是燃气厨具的正常使用，二是突发意外情况(煤气泄漏)。当传感器监测到燃气泄漏时，监测信息被单片机控制模块1接收，模拟信息经过处理被转换为数字信息后，通过LCD显示模块14进行显示，同时在单片机内部将其与安全阈值相比较。如果阈值比测得值小，再次进行数据采集，将测得的可燃气体浓度与阈值比较，如测得值与阈值的大小与关系发生调换，说明上一次监测时检测到的可燃气体浓度是某些影响或厨具正常点火时一瞬间产生的少量泄露的短时可控情况，系统继续监控，若阈值(1.5％)仍然低于检测值，单片机控制模块1驱动警报模块15，发出警报信息促使人们关闭阀门以及打开新风扇20进行通风等措施及时降低室内可燃气体浓度，避免事故发生。当阈值高于检测到的数值时警报解除。

光照强度监测模块10运行时，通过光照强度传感器对当前室内环境进行光强监测，监测信号通过数据发送模块3发送至单片机控制模块1，由单片机控制模块1对实时监测数据将光强等级化，并通过LCD显示模块14显示，单片机控制模块1内部根据等级进行分析，根据需求通过驱动模块驱动N20减速电机16，进行窗帘19的控制，拉开或者关闭。

CO2监测模块通过二氧化碳传感器对当前室内环境中的二氧化碳进行监测，并实时通过数据发送模块3将监测到的数据发送至单片机控制模块1，单片机控制模块1对数据进行处理，通过LCD显示模块14显示的同时进行阈值比较，如果超出阈值，开启警报模块15发出警报，并开启驱动模块16打开通风扇。

甲醛监测模块12通过甲醛浓度传感器对当前室内环境中的甲醛浓度进行监测，并实时通过数据发送模块3发送至单片机控制模块1，经单片机控制模块1对数据进行处理，将其与阈值进行比较，判断警报模块15开启与否，同时将数据通过LCD显示模块14进行显示。

PM2.5监测模块13通过灰尘浓度传感器对当年前环境中的PM2.5进行监测，单片机控制模块1通过数据发送模块2读取监测信息，在其内部对信号进行处理，判断是否开启驱动模块16开启新风扇20进行空气净化，并通过LCD显示模块14进行显示。

所有监测模块监测的信息在经单片机控制模块进行处理后都会存储起来，同时用户可以通过智能APP对当前环境状态进行查看，获取实时监测信息。

如图2所示，夹扣22固定在钢丝21上，N20低速电机18安装在窗帘轨道24的一侧，夹扣22夹在窗帘19距离N20低速电机18最远的那一端，驱动模块16开启N20低速电机18工作，电机18正传拉开窗帘19，电机反转关上窗帘19。N20减速电机的转速选用230转/分钟，根据窗帘轨道24的长度定制电机运动时间。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。