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基于STM32的智能空气质量监测与净化系统设计

article 2025/2/28 15:32:43

引言
系统设计
1. 硬件设计
2. 软件设计
系统功能模块
1. 空气质量检测模块
2. 自动净化模块
3. 数据显示与用户交互模块
4. 远程监控与数据上传模块
控制算法
1. 空气质量检测与判断算法
2. 净化设备控制算法
3. 数据记录与远程反馈算法
代码实现
1. 空气质量检测与显示代码
2. 自动净化与调节代码
3. 数据上传与远程控制代码
系统调试与优化
结论与展望

1. 引言

随着空气污染问题的加剧，空气质量对人类健康的影响日益受到关注。智能空气质量监测与净化系统能够实时监测空气中的PM2.5、CO2和VOC（挥发性有机化合物）浓度，并根据空气质量情况自动调节净化设备运行，提升居住环境的健康水平。本文设计了一款基于STM32的智能空气质量监测与净化系统，集成了空气质量检测、设备控制和远程管理功能。

2. 系统设计

2.1 硬件设计

主控芯片：STM32F103系列，用于逻辑控制和数据处理。
传感器模块：
- PM2.5传感器（如PMS5003）：检测空气中的颗粒物浓度。
- CO2传感器（如MH-Z19）：监测二氧化碳浓度。
- VOC传感器（如MQ-135）：检测挥发性有机化合物浓度。
- 温湿度传感器（如DHT22）：提供环境温湿度信息。
净化设备模块：
- 风扇：调节空气流通。
- HEPA过滤网：净化空气。
- 活性炭过滤器：去除有害气体。
显示模块：OLED或LCD屏，用于实时显示空气质量数据。
通信模块：Wi-Fi模块（如ESP8266），实现远程数据传输和控制。
用户交互模块：按键或触摸屏，用于查看信息和设置参数。

2.2 软件设计

空气质量检测模块：采集PM2.5、CO2、VOC和温湿度数据，并判断空气质量等级。
自动净化模块：根据空气质量情况自动调节风扇和净化设备的运行状态。
数据交互模块：显示实时空气质量信息，并允许用户设置净化参数。
远程监控模块：支持云端数据同步和远程控制。

3. 系统功能模块

3.1 空气质量检测模块

使用传感器实时监测空气中的污染物浓度和环境温湿度。
根据空气质量数据计算AQI（空气质量指数）。

3.2 自动净化模块

根据空气质量等级调整净化设备运行强度。
支持手动模式和自动模式切换。

3.3 数据显示与用户交互模块

显示屏实时显示空气质量参数（PM2.5、CO2、VOC）和设备状态。
用户可通过按键或触摸屏设置净化模式和阈值。

3.4 远程监控与数据上传模块

通过Wi-Fi上传空气质量数据和设备状态至云端。
用户可通过手机或电脑远程监控和操作设备。

4. 控制算法

4.1 空气质量检测与判断算法

7. 结论与展望

本文设计了一款基于STM32的智能空气质量监测与净化系统，集成空气质量检测、自动净化和远程管理功能，为用户提供了健康舒适的室内空气环境。未来可以扩展系统的功能，如结合AI技术优化净化策略，与智能家居生态系统联动，为用户提供更加全面的智能化空气管理服务。

根据传感器数据计算AQI并判断空气质量等级。

int calculate_aqi(float pm25, float co2, float voc) {
    if (pm25 > 150 || co2 > 1000 || voc > 0.5) {
        return 3;  // 差
    } else if (pm25 > 75 || co2 > 800 || voc > 0.3) {
        return 2;  // 中等
    } else {
        return 1;  // 良好
    }
}

4.3 数据记录与远程反馈算法

将空气质量数据和设备状态上传至云端。

void upload_air_quality(float pm25, float co2, float voc, int aqi_level) {
    char buffer[128];
    sprintf(buffer, "PM2.5: %.2f, CO2: %.2f, VOC: %.2f, AQI Level: %d", pm25, co2, voc, aqi_level);
    send_to_cloud(buffer);
}

5. 代码实现

5.1 空气质量检测与显示代码

void monitor_air_quality() {
    float pm25 = PMS5003_Read();
    float co2 = MHZ19_Read();
    float voc = MQ135_Read();
    int aqi_level = calculate_aqi(pm25, co2, voc);

    OLED_Display("PM2.5: %.2f\nCO2: %.2f\nVOC: %.2f\nAQI Level: %d", pm25, co2, voc, aqi_level);
    control_purifier(aqi_level);
}

5.2 自动净化与调节代码

void set_fan_speed(int speed) {
    switch (speed) {
        case LOW:
            PWM_SetDutyCycle(20);  // 低速
            break;
        case MEDIUM:
            PWM_SetDutyCycle(50);  // 中速
            break;
        case HIGH:
            PWM_SetDutyCycle(100);  // 高速
            break;
    }
}

5.3 数据上传与远程控制代码

void handle_remote_command(char* command) {
    if (strcmp(command, "SET AUTO") == 0) {
        enable_auto_mode();
    } else if (strcmp(command, "SET MANUAL") == 0) {
        enable_manual_mode();
    } else if (strstr(command, "SET FAN")) {
        int speed = extract_speed_from_command(command);
        set_fan_speed(speed);
    }
}

void upload_and_display_status() {
    float pm25 = PMS5003_Read();
    float co2 = MHZ19_Read();
    float voc = MQ135_Read();
    int aqi_level = calculate_aqi(pm25, co2, voc);

    OLED_Display("PM2.5: %.2f\nCO2: %.2f\nVOC: %.2f\nAQI Level: %d", pm25, co2, voc, aqi_level);
    upload_air_quality(pm25, co2, voc, aqi_level);
}