吉林大学 仪器科学与电气工程学院 长春 130012
摘要：针对一体式雾霾净化器的监测范围小和净化效率低的问题，采用无线分布式设计对室内空气的温度、湿度、PM2.5指数进行分布式监测，三块检测模块同时向主控模块输送实时数据；并根据PM2.5指数控制净化模块进行空气净化。在净化空气时，采用对净化装置的闭环控制；设计了微信小程序在手机端对空气状况进行远程监控。
关键词：分布式；闭环控制；远程监控
0前言
近年来，雾霾天气在我国频繁出现，空气质量问题已引起全社会高度关注。室内环境小，PM2.5很容易超标，导致人体受到影响，甚至平常的炒菜、烧香、抽烟等行为都会急剧地增大室内PM2.5的浓度。此雾霾监测和净化系统采用监测与净化的分离模式，这一点与市面的已有产品有着非常大的区别，市面上的一体式净化器检测范围非常小，往往只有净化器周围的空气质量能够检测到，很难做到对整个房间甚至整个房屋进行有效的净化。而该净化器的监测模块可以设置在pm2.5的产生处，比如厨房、窗户、门口等地，当雾霾进入监测空间，净化器立即进行净化处理，从而最大限度的防止了雾霾对人体健康的影响。
1监测模块的设计方案。
1.1湿度传感器模块
DHT11是一款湿温度一体化的数字传感器。该传感器包括一个电阻式测湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。通过单片机等微处理器简单的电路连接就能够实时的采集本地湿度和温度。DHT11与单片机之间能采用简单的单总线进行通信，仅仅需要一个I/O口。传感器内部湿度和温度数据40Bit的数据一次性传给单片机，数据采用校验和方式进行校验，有效的保证数据传输的准确性。DHT11功耗很低，5V电源电压下，工作平均最大电流0.5mA。
DHT11数字湿温度传感器采用单总线数据格式。即，单个数据引脚端口完成输入输出双向传输。其数据包由5Byte（40Bit）组成。数据分小数部分和整数部分，一次完整的数据传输为40bit，高位先出。DHT11的数据格式为：8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和。其中校验和数据为前四个字节相加。
湿度=byte4.byte3=45.0(％RH)
温度=byte2.byte1=28.0(℃)
校验=byte4+byte3+byte2+byte1=73(=湿度+温度)(校验正确)
1.2温度传感器模块
DS18B20是由DALLAS半导体公司推出的一种的“一线总线”接口的温度传感器。与传统的热敏电阻等测温元件相比，它是一种新型的体积小、适用电压宽、与微处理器接口简单的数字化温度传感器。一线总线结构具有简洁且经济的特点，可使用户轻松地组建传感器网络，从而为测量系统的构建引入全新概念，测量温度范围为-55~+125℃，精度为±0．5℃。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。
1.3雾霾传感器模块
使用的传感器型号为pms5003。Pms5003不断的以串口的方式向单片机发送一帧数据，一帧数据协议总长度为32字节，默认波特率为9600bps。第十三位为pm2.5值的高八位，第十四位为pm2.5值的低八位。
通常我们使用stm32的串口功能使用的中断服务程序使用的是RXNE中断。当单片机接收到一个字节，就会产生RXNE中断。Pms5003发送的是一帧数据，所以不能采用此中断。可以采用IDLE中断，当接收到一帧数据，就会产生IDLE中断。
特别注意：在中断函数里面，需要把对应的位清零，否则会影响下一次数据的接收。比如RXNE接收数据中断，只要把接收到的一个字节读出来，就会清除这个中断。F1系列的单片机，清除方法是“先读sr寄存器，再读dr寄存器”。
1.4无线传输模块
NRF24L01无线模块，采用的芯片是NRF24L01，要通过nrf24l01建立稳定的无线通讯，必须满足以下条件：
1）发射接收数据宽度相同（最大32个字节）
2）发射接收地址相同（5个8位地址）
3）发射接收频道相同（0~125）
4）发射接收速率相同
测量板发送数据，主控板接收数据。在主函数里要对发送接收指令进行延时，否则会出现丢失数据，或数据重叠等现象。
2净化模块的设计和装置整体设计
2.1净化装置的设计
如图1所示，为净化装置的截面图
图1 净化装置平面图
2.3设备的使用
利用三块监测板分别监测门口，窗口以及室内中央的空气实时状况，能够更好的对房间内的空气状况进行更均匀的监测。
3微信小程序设计
3.1微信小程序优势
微信小程序，英文名MiniProgram，是一种不需要下载安装即可使用的应用，它实现了应用“触手可及”的梦想，用户扫一扫或搜一下即可打开应用。
轻便是小程序最主要的优势之一，很多轻量级的APP在以往我们还是要必须下载安装在手机上才能使用，这即增加了过程的麻烦性、不必要性，也对手机的内存产生了一定的占有，实际用户体验并不良好。
而小程序针对这一问题，能够很好的进行解决，例如共享单车，在小程序诞生之前可能我们需要下载某一共享单车的APP才能进行使用，但现在在小程序的帮助之下，我们直接可以在微信小程序上即可完成以往在APP上才能实现的功能需求，使操作变得更加的轻松方便。
3.2微信小程序的开发
微信小程序通过蓝牙与设备进行无线连接，在微信界面内打开即可接受实时数据
蓝牙连接大致流程：
1、开启蓝牙适配
2、获取蓝牙适配器状态，判断设备蓝牙是否可用。
3、判断蓝牙适配器可用时开启扫描蓝牙设备和开启获取已连接的蓝牙设备
4、如果开启扫描蓝牙设备失败5s后自动再次开启扫描
图2小程序的使用界面
5、开启扫描蓝牙设备成功后开启监听已扫描的设备
6、如果已扫描到的新设备含FeiZhi名（个人产品需要）的设备则开始连接该设备
7、开启获取已连接蓝牙设备开启获取设备成功后判断以获取的设备名包含FeiZhi（个人产品需要）字符串的设备则开始连接该设备
8、开始获取已连接蓝牙设备没有成功获取到已连接的蓝牙设备5s后自动重新开启获取。
9、开始连接某设备时停止扫描设备，停止循环获取已连接设备。
10、连接成功后停止扫描设备，停止循环获取已连接设备。
4结论
本文对雾霾监测与净化装置的研究和设计，通过采用监测模块和净化装置分开的分布式结构，相比传统一体式雾霾净化器，监测更加精准，监测范围更大。通过采用闭环控制，使之自动进行室内的净化工作，净化效率更高，添加通过手机端的微信小程序进行远程监控的功能，可以随时随地掌握指定室内的空气情况。对已有的空气净化器进行了改进。
参考文献
[1]范娇.大气气溶胶光学厚度反演及其在雾霾检测中的应用[D].杭州电子科技大学,2015
[2]何佳晶,周晖,刘婷婷,赵静怡,徐智勇,黄启俊.一种考虑湿度修正的雾霾检测系统[J].电子测量技术,2015,(10):96-100.
[3]丰源.一种便携式雾霾检测器的设计[J].科技展望,2015,(27):153.
*指导老师：刘鸿石，项目类型：项目(7150080050)。
论文作者:康达,孟繁杰,郑策
论文发表刊物:《基层建设》2018年第7期
论文发表时间:2018/5/22
标签：蓝牙论文; 设备论文; 数据论文; 模块论文; 程序论文; 湿度论文; 单片机论文; 《基层建设》2018年第7期论文;