基于物聯(lián)網(wǎng)的空氣凈化系統的軟件設計研究論文
0 概述
本軟件系統的核心是微控制器（STM32F103R—ARM-based 32-bit MCU），本論文以該微控制器為中心單元，而電源控制模塊、電機控制模塊、紫外燈控制模塊、LED顯示模塊、負離子控制模塊、觸摸按鍵模塊以及空氣質(zhì)量檢測傳感器模塊和WIFI模塊組成的空氣凈化系統的運行將全部以該微控制器為核心，因此構成了智能可遠程控制的空氣凈化系統。本論文針對空氣凈化器控制系統的研究采用了多傳感器數據采集模塊的集成，實(shí)現了空氣凈化器的數據采集和工作狀態(tài)的自動(dòng)調整等功能；同時(shí)，研究集成了將無(wú)線(xiàn)通信模塊WIFI模塊與空氣凈化器結合，實(shí)現了空氣凈化器的遠程控制和物聯(lián)網(wǎng)化，實(shí)現了真正的無(wú)線(xiàn)互聯(lián)。
1 總體設計
1）本論文所研究的空氣凈化器控制系統的軟件程序主要包括了系統初始化程序、電機控制程序、紫外燈和負離子控制程序、LED顯示和觸摸按鍵控制程序、傳感器數據采集程序和無(wú)線(xiàn)WIFI通信程序等各功能模塊的程序設計。針對本設計采用的STM32F103R微控制器的實(shí)現包括了中斷、查詢(xún)、A/D轉換、GPIO、SDIO、UART等功能。
2）根據控制系統的功能需求分析，本文描述的空氣凈化器對于軟件程序的需求可分為以下幾個(gè)部分：系統初始化程序、電機驅動(dòng)程序、紫外燈和負離子控制程序、LED顯示和觸摸按鍵程序、傳感器數據采集程序、無(wú)線(xiàn)WIFI通信程序設計。
其中，紫外燈、負離子、LED顯示為微控制器的控制程序，電機、WIFI模塊為微控制器的驅動(dòng)程序；傳感器數據采集和觸摸按鍵為微控制器的參數輸入程序。各個(gè)部分都是緊密相關(guān)，每個(gè)功能模塊對于程序的整體設計都是非常重要的，都是通過(guò)STM32F103R微控制器程序，才能使得空氣凈化器控制系統運行起來(lái)。
根據程序總體設計，各模塊處理子程序依賴(lài)于主程序的調度，共同完成控制系統的功能。系統根據功能需要，在初始打開(kāi)空氣凈化器電源時(shí)，直流電機、紫外燈、負離子、傳感器、WIFI模塊等均不工作，只有當電源按鍵或者無(wú)線(xiàn)WIFI模塊通過(guò)遠程打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)時(shí)，空氣凈化器控制系統才啟動(dòng)工作。
2 系統初始化程序設計
系統初始化程序主要針對本系統的系統參數進(jìn)行初始化，包含了STM32F103R微控制器的初始化程序、I/O口的配置、程序各參數、變量、標志位的設定、系統默認運行參數的設定、默認顯示程序運行等。默然上電后系統初始化過(guò)程中，空氣凈化器的電機、紫外燈、負離子等負載并不工作，設備的LED顯示模塊顯示默認的參數和配置。
3 空氣凈化系統的各個(gè)模塊的軟件設計
3.1 電機驅動(dòng)程序設計
本論文研究中使用的是無(wú)刷直流電機，電機的驅動(dòng)是利用微控制器輸出PWM調壓來(lái)實(shí)現電機的速度變化。在電機的運行過(guò)程中，需要根據空氣凈化器的工作狀態(tài)來(lái)調整電機的轉動(dòng)速度。
3.2 紫外燈和負離子控制程序設計
紫外燈管的驅動(dòng)是利用低電平導通信號的輸出來(lái)實(shí)現的.，輸出驅動(dòng)信號的引腳為PB4；負離子發(fā)生器的驅動(dòng)同樣是利用低電平導通信號的輸出來(lái)實(shí)現的，輸出驅動(dòng)信號的引腳為PB4。
3.3 LED顯示和觸摸按鍵控制程序設計
本文描述的空氣凈化器顯示模塊的顯示內容主要有：定時(shí)時(shí)間指示、燈光指示、工作模式指示、空氣質(zhì)量指示、殺菌等指示、PM指示等數據。主要來(lái)自按鍵的更改和數據采集對于的數據變化。
按鍵的控制程序主要是進(jìn)行外部中斷的處理過(guò)程，空氣凈化器控制系統的按鍵主要有六個(gè)，包括了電源開(kāi)關(guān)Kl、工作模式選擇K2、負離子/紫外燈鍵K3、定時(shí)設置K4、電機風(fēng)速調節鍵K5以及空氣質(zhì)量指示燈光鍵K6。同時(shí)按住定時(shí)鍵和電機風(fēng)速鍵啟到過(guò)濾網(wǎng)的狀態(tài)復位功能，按鍵的程序設計主要是通過(guò)中斷來(lái)實(shí)現的，當發(fā)生按鍵操作的時(shí)候，單片機引腳將根據信號進(jìn)行程序處理。程序對于按鍵的觸發(fā)信號判斷為串行流程，依次判斷每個(gè)按鍵的操作指令，執行相應的子程序。
3.4 傳感器數據采集程序設計
根據電路原理圖和實(shí)際工作過(guò)程，設計出空氣質(zhì)量傳感器和粉塵傳感器的數據采集程序，系統啟動(dòng)后，控制信號中斷程序開(kāi)始工作，并且ADC使能打開(kāi)，檢測系統開(kāi)始工作。由傳感器特性分析可知，傳感器在數據采集過(guò)程中，在控制信號作用下開(kāi)始采集數據，實(shí)時(shí)檢測室內空氣污染狀況。為了得到實(shí)用數據，需要對室內空氣質(zhì)量進(jìn)行大量測試和實(shí)驗，最后得出想要的數據結果。
3.5 無(wú)線(xiàn)WIFI通信程序設計
根據實(shí)際應用，無(wú)線(xiàn)WIFI通信部分需要將當前空氣凈化器的狀態(tài)值（空氣質(zhì)量、工作模式、風(fēng)速、PM指數、定時(shí)狀態(tài)等等）傳輸到服務(wù)器端，并且能夠將服務(wù)器端發(fā)送來(lái)的控制命令成功接收，以實(shí)現能夠遠程控制空氣凈化器的工作狀態(tài)，系統啟動(dòng)后，首先對WIFI模塊進(jìn)行初始化，包括SDIO設備枚舉，加載設備固件等操作，然后掃描WIFI網(wǎng)絡(luò )，掃描結束后，根據配置的WIFI賬號和密碼進(jìn)行關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò )，關(guān)聯(lián)成功后進(jìn)行IP、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)等的設置，接著(zhù)就是建立TCP SOCKET的客戶(hù)端，具體工作有綁定本地及服務(wù)端的IP和端口。最后就是從服務(wù)端接收數據，判斷是否為獲取設備狀態(tài)或者控制設備的命令，進(jìn)行相應的操作。
4 結束語(yǔ)
本論文主要研究和探討了室內空氣凈化系統的軟件設計，而本文對物聯(lián)網(wǎng)空氣凈化器控制系統的研究還是一個(gè)開(kāi)始，結合目前新技術(shù)的發(fā)展，需要深入研究的方向還有很多，而本文所說(shuō)明的空氣凈化系統的軟件設計，還存在很多的不足，還有者許許多多可以改進(jìn)的地方，這都將隨著(zhù)我們對未來(lái)空氣凈化器一步一步的深入研究，不斷地改造創(chuàng )新與發(fā)展，以后一定會(huì )使其在該領(lǐng)域越來(lái)越完善，而技術(shù)也一定會(huì )越來(lái)越成熟。
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