基于物聯(lián)網(wǎng)的空氣凈化系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)研究論文
0 概述
本軟件系統(tǒng)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(jī)控制模塊、紫外燈控制模塊、LED顯示模塊、負(fù)離子控制模塊、觸摸按鍵模塊以及空氣質(zhì)量檢測(cè)傳感器模塊和WIFI模塊組成的空氣凈化系統(tǒng)的運(yùn)行將全部以該微控制器為核心，因此構(gòu)成了智能可遠(yuǎn)程控制的空氣凈化系統(tǒng)。本論文針對(duì)空氣凈化器控制系統(tǒng)的研究采用了多傳感器數(shù)據(jù)采集模塊的集成，實(shí)現(xiàn)了空氣凈化器的數(shù)據(jù)采集和工作狀態(tài)的自動(dòng)調(diào)整等功能；同時(shí)，研究集成了將無(wú)線通信模塊WIFI模塊與空氣凈化器結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了空氣凈化器的遠(yuǎn)程控制和物聯(lián)網(wǎng)化，實(shí)現(xiàn)了真正的無(wú)線互聯(lián)。
1 總體設(shè)計(jì)
1）本論文所研究的空氣凈化器控制系統(tǒng)的軟件程序主要包括了系統(tǒng)初始化程序、電機(jī)控制程序、紫外燈和負(fù)離子控制程序、LED顯示和觸摸按鍵控制程序、傳感器數(shù)據(jù)采集程序和無(wú)線WIFI通信程序等各功能模塊的程序設(shè)計(jì)。針對(duì)本設(shè)計(jì)采用的STM32F103R微控制器的實(shí)現(xiàn)包括了中斷、查詢、A/D轉(zhuǎn)換、GPIO、SDIO、UART等功能。
2）根據(jù)控制系統(tǒng)的功能需求分析，本文描述的空氣凈化器對(duì)于軟件程序的需求可分為以下幾個(gè)部分：系統(tǒng)初始化程序、電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序、紫外燈和負(fù)離子控制程序、LED顯示和觸摸按鍵程序、傳感器數(shù)據(jù)采集程序、無(wú)線WIFI通信程序設(shè)計(jì)。
其中，紫外燈、負(fù)離子、LED顯示為微控制器的控制程序，電機(jī)、WIFI模塊為微控制器的驅(qū)動(dòng)程序；傳感器數(shù)據(jù)采集和觸摸按鍵為微控制器的參數(shù)輸入程序。各個(gè)部分都是緊密相關(guān)，每個(gè)功能模塊對(duì)于程序的整體設(shè)計(jì)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(tǒng)運(yùn)行起來(lái)。
根據(jù)程序總體設(shè)計(jì)，各模塊處理子程序依賴于主程序的調(diào)度，共同完成控制系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)根據(jù)功能需要，在初始打開(kāi)空氣凈化器電源時(shí)，直流電機(jī)、紫外燈、負(fù)離子、傳感器、WIFI模塊等均不工作，只有當(dāng)電源按鍵或者無(wú)線WIFI模塊通過(guò)遠(yuǎn)程打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)時(shí)，空氣凈化器控制系統(tǒng)才啟動(dòng)工作。
2 系統(tǒng)初始化程序設(shè)計(jì)
系統(tǒng)初始化程序主要針對(duì)本系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)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(shù)、變量、標(biāo)志位的設(shè)定、系統(tǒng)默認(rèn)運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定、默認(rèn)顯示程序運(yùn)行等。默然上電后系統(tǒng)初始化過(guò)程中，空氣凈化器的電機(jī)、紫外燈、負(fù)離子等負(fù)載并不工作，設(shè)備的LED顯示模塊顯示默認(rèn)的參數(shù)和配置。
3 空氣凈化系統(tǒng)的各個(gè)模塊的軟件設(shè)計(jì)
3.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
本論文研究中使用的是無(wú)刷直流電機(jī)，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)是利用微控制器輸出PWM調(diào)壓來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度變化。在電機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，需要根據(jù)空氣凈化器的工作狀態(tài)來(lái)調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。
3.2 紫外燈和負(fù)離子控制程序設(shè)計(jì)
紫外燈管的驅(qū)動(dòng)是利用低電平導(dǎo)通信號(hào)的輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)的.，輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的引腳為PB4；負(fù)離子發(fā)生器的驅(qū)動(dòng)同樣是利用低電平導(dǎo)通信號(hào)的輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)的，輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的引腳為PB4。
3.3 LED顯示和觸摸按鍵控制程序設(shè)計(jì)
本文描述的空氣凈化器顯示模塊的顯示內(nèi)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(shù)據(jù)。主要來(lái)自按鍵的更改和數(shù)據(jù)采集對(duì)于的數(shù)據(jù)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(tǒng)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(fù)離子/紫外燈鍵K3、定時(shí)設(shè)置K4、電機(jī)風(fēng)速調(diào)節(jié)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(jī)風(fēng)速鍵啟到過(guò)濾網(wǎng)的狀態(tài)復(fù)位功能，按鍵的程序設(shè)計(jì)主要是通過(guò)中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)發(fā)生按鍵操作的時(shí)候，單片機(jī)引腳將根據(jù)信號(hào)進(jìn)行程序處理。程序?qū)τ诎存I的觸發(fā)信號(hào)判斷為串行流程，依次判斷每個(gè)按鍵的操作指令，執(zhí)行相應(yīng)的子程序。
3.4 傳感器數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)
根據(jù)電路原理圖和實(shí)際工作過(guò)程，設(shè)計(jì)出空氣質(zhì)量傳感器和粉塵傳感器的數(shù)據(jù)采集程序，系統(tǒng)啟動(dòng)后，控制信號(hào)中斷程序開(kāi)始工作，并且ADC使能打開(kāi)，檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)始工作。由傳感器特性分析可知，傳感器在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，在控制信號(hào)作用下開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)檢測(cè)室內(nèi)空氣污染狀況。為了得到實(shí)用數(shù)據(jù)，需要對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量進(jìn)行大量測(cè)試和實(shí)驗(yàn)，最后得出想要的數(shù)據(jù)結(jié)果。
3.5 無(wú)線WIFI通信程序設(shè)計(jì)
根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，無(wú)線WIFI通信部分需要將當(dāng)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(shù)、定時(shí)狀態(tài)等等）傳輸?shù)椒⻊?wù)器端，并且能夠?qū)⒎⻊?wù)器端發(fā)送來(lái)的控制命令成功接收，以實(shí)現(xiàn)能夠遠(yuǎn)程控制空氣凈化器的工作狀態(tài)，系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先對(duì)WIFI模塊進(jìn)行初始化，包括SDIO設(shè)備枚舉，加載設(shè)備固件等操作，然后掃描WIFI網(wǎng)絡(luò)，掃描結(jié)束后，根據(jù)配置的WIFI賬號(hào)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(shè)置，接著就是建立TCP SOCKET的客戶端，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(shù)據(jù)，判斷是否為獲取設(shè)備狀態(tài)或者控制設(shè)備的命令，進(jìn)行相應(yīng)的操作。
4 結(jié)束語(yǔ)
本論文主要研究和探討了室內(nèi)空氣凈化系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，而本文對(duì)物聯(lián)網(wǎng)空氣凈化器控制系統(tǒng)的研究還是一個(gè)開(kāi)始，結(jié)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(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，還存在很多的不足，還有者許許多多可以改進(jìn)的地方，這都將隨著我們對(duì)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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