空氣質(zhì)量監控系統基于IDT氣體流量傳感器ZMOD4410模塊而設計。主控芯片采用高性能意法半導體公司Cortex-M4系列微控制器STM32F407ZET6，并采用CC2650模塊無(wú)線(xiàn)2.4GHz作為zigbee無(wú)線(xiàn)傳輸功能，并根據氣體傳感器監測數據做出預警。 zigbee技術(shù)是一種低功耗、短距離、低成本的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，其PHY層和MAC層協(xié)議為802.15.4標準協(xié)議，網(wǎng)絡(luò )層由zigbee技術(shù)聯(lián)盟制訂，可以提供靈活的組網(wǎng)方式。 本項目采用模塊化方案設計，主要構成系統的模塊有STM32F407ZET6主控、CC2650模塊、底板、傳感器模塊等。便于擴展各類(lèi)傳感器模塊，實(shí)現家庭燃氣、水、溫濕度、空氣質(zhì)量等的實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測功能。軟件采用開(kāi)源嵌入式實(shí)時(shí)操作系統RT-Thread，具有組件豐富、可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)。

1、電源模塊

通過(guò)分析，此項目所需功耗約為2W，電源模塊采用寬輸入電壓，低噪聲，總共有3個(gè)穩壓芯片：U15/U16/U18，DC_IN用于外部直流電源輸入，經(jīng)過(guò)U15DC-DC芯片轉換為5V電源輸出，其中D4是防反接二極管，避免外部直流電源極性搞錯的時(shí)候，燒壞開(kāi)發(fā)板。K1為開(kāi)發(fā)板的總電源開(kāi)關(guān)，F1為1000ma自恢復保險絲，用于保護USB。

2、STM32F407ZET6主控模塊

本項目選擇的是STM32F407ZGT6作為MCU，該芯片是STM32F407里面配置非常強大的了，它擁有的資源包括：集成FPU和DSP指令，并具有192KB SRAM、1024KB FLASH、12個(gè)16位定時(shí)器、2個(gè)32位定時(shí)器、2個(gè)DMA控制器（共16個(gè)通道）、3個(gè)SPI、2個(gè)全雙工I2S、3個(gè)IIC、6個(gè)串口、2個(gè)USB（支持HOST /SLAVE）、2個(gè)CAN、3個(gè)12位ADC、2個(gè)12位DAC、1個(gè)RTC（帶日歷功能）、1個(gè)SDIO接口、1個(gè)FSMC接口、1個(gè)10/100M以太網(wǎng)MAC控制器、1個(gè)攝像頭接口、1個(gè)硬件隨機數生成器、以及112個(gè)通用IO口等。該芯片的配置十分強悍，很多功能相對STM32F1來(lái)說(shuō)進(jìn)行了重大改進(jìn)，比如FSMC的速度，F4刷屏速度可達3300W像素/秒，而F1的速度則只有500W左右。

STM32F407ZGT6主控模塊外接LCD模塊、電源模塊、3G模塊、CC2650模塊等，作為整個(gè)系統核心處理部分，通過(guò)UART外接CC2650模塊，將收集到的數據做進(jìn)一步處理，將收到的實(shí)時(shí)數據處理后顯示在LCD顯示屏上，根據eco2、IAQ的值的變化，如果超過(guò)預警值將進(jìn)行報警，提醒用戶(hù)做出反應，并可以通過(guò)3G模塊將告警信息傳輸到手機上。

3、CC2650模塊

4、LCD模塊

LCD接口連接在STM32F407ZGT6的FSMC總線(xiàn)上面，可以顯著(zhù)提高LCD的刷屏速度。LCD模塊主要用于顯示氣體傳感器傳輸過(guò)來(lái)的eco2數值和IAQ，便于直觀(guān)反映。

5、ZMOD4410模塊

氣體傳感器模塊采用IDT 公司高性能ZMOD4410模塊，實(shí)現對氣體流量的采樣，工作電流僅為30mA(5V 電壓)，其精度達到2%，具有數字I2C 接口和模擬輸出接口，是實(shí)現氣體流量檢測的最佳選擇。本項目采用排線(xiàn)外接CC2650模塊的IIC接口，將監測數據傳給cc2650，然后通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式傳輸到與STM32連接的CC2650模塊上，從而達到遠程監控的功能

本項目用到的模塊比較多，軟件功能主要集中在是STM32407處理模塊、CC2650無(wú)線(xiàn)傳輸模塊、ZMOD4410氣體監測模塊上。其中ZMOD4410氣體監測模塊由IDT廠(chǎng)家給出了API開(kāi)發(fā)包，將給出的.a文件加入到STM32407處理模塊程序的編譯中，多收到的氣體傳感器數據進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)轉換獲取可顯示ECO2、IAQ值，若使用裸機程序編寫(xiě)，將花費大量時(shí)間安排各模塊工作流程，以保證各模塊之間無(wú)縫配合。因此本項目采用嵌入式RTOS 進(jìn)行程序設計，各個(gè)軟件功能采用模塊化、多任務(wù)設計。

1、    軟件整體設計方案

  設計采用開(kāi)源嵌入式系統RT-Thread 作為運行基本系統。在此基礎上增加各模塊使用的驅動(dòng)和線(xiàn)程函數，系統每10ms 進(jìn)行一次進(jìn)行線(xiàn)程調度，保證系統實(shí)時(shí)性。軟件整體設計流程如下圖。

2、    CC2650無(wú)線(xiàn)傳輸模塊軟件設計方案

// 初始化GAS

void Init_GAS(void)

{

  P1SEL &= ~0xc0; //作為普通 IO 口

  SDA_OUT();

  SCL_OUT(); 

  Write_GAS(PWR_MGMT_1, 0x00);//電源管理，典型值：0x00(正常啟用)

  Write_GAS (SMPLRT_DIV, 0x07);

  Write_GAS (CONFIG, 0x06);

  Write_GAS (GYRO_CONFIG, 0x18);

  Write_GAS (ACCEL_CONFIG, 0x01); 

}

 

//連續讀出GAS內部數據

void Multiple_read_GAS(void)

{   

  char BUF[12]; //接收數據緩存區  

  BUF[0]= ead_GAS(ACCEL_XOUT_H);

  BUF[1]= Read_GAS (ACCEL_XOUT_L);

  BUF[2]= Read_GAS (ACCEL_YOUT_H);

  BUF[3]= Read_GAS (ACCEL_YOUT_L);

  BUF[4]= Read_GAS (ACCEL_ZOUT_H);

  BUF[5]= Read_GAS (ACCEL_ZOUT_L);

  

  BUF[6]= Read_GAS (GYRO_XOUT_H);

  BUF[7]= Read_GAS (GYRO_XOUT_L);

  BUF[8]= Read_GAS (GYRO_YOUT_H);

  BUF[9]= Read_GAS (GYRO_YOUT_L);

  BUF[10]= Read_GAS (GYRO_ZOUT_H);

  BUF[11]= Read_GAS (GYRO_ZOUT_L);

  

  accX=(BUF[0]<<8)|BUF[1]; 

  accY=(BUF[2]<<8)|BUF[3]; 

  accZ=(BUF[4]<<8)|BUF[5]; 

  graX=(BUF[6]<<8)|BUF[7];

  graY=(BUF[8]<<8)|BUF[9];

  graZ=(BUF[10]<<8)|BUF[11];

}

 

               zigbee終端設備軟件方案

3、    系統初始化

board_init(); //開(kāi)發(fā)板初始化

uart_init(115200);   //初始化串口波特率115200

LCD_Init(); //LCD顯示初始化

alarm_init();//警報初始化

4、    LCD顯示

void LCD_ShowString(u16 x,u16 y,u16 width,u16 height,u8 size,u8 *p)

{        

    u8 x0=x;

    width+=x;

    height+=y;

    while((*p<='~')&&(*p>=' '))//?D??ê?2?ê?·?·¨×?·?!

    {      

        if(x>=width){x=x0;y+=size;}

        if(y>=height)break;//í?3?

        LCD_ShowChar(x,y,*p,size,0);

        x+=size/2;

        p++;

    } 

}

5、    預警模塊

void alarm（void）

{

GPIO_ResetBits(GPIOF,GPIO_Pin_9);

GPIO_ResetBits(GPIOF,GPIO_Pin_8);

delay_ms(300);                

GPIO_SetBits(GPIOF,GPIO_Pin_9);

GPIO_SetBits(GPIOF,GPIO_Pin_8);

delay_ms(300);            

}                   

   由于條件限制，沒(méi)能將風(fēng)機等加上去，只是通過(guò)板子上的蜂鳴器報警達到預警效果，如果室內環(huán)境變差，可以通過(guò)打開(kāi)風(fēng)機進(jìn)行環(huán)境空氣流轉，達到M2M的效果

氣體傳感器收集數據通過(guò)IIC上傳到zigbee終端模塊，zigbee終端模塊將數據通過(guò)2.4G發(fā)送到zigebee協(xié)調器，zigbee協(xié)調器通過(guò)UART將數據上傳到主控模塊，主控將數據進(jìn)行轉換，通過(guò)LCD顯示ECO2、IAQ值，如果值不正常說(shuō)明空氣質(zhì)量問(wèn)題，通過(guò)蜂鳴器發(fā)出警報，并通過(guò)3G模塊將數據發(fā)送到個(gè)人手機上