一、前言

1.1 项目介绍

【1】项目开发背景

随着工业化和城市化进程的加快，环境污染问题日益突出，特别是空气污染对人类健康的影响越来越受到人们的重视。在这样的背景下，空气质量监测成为了保障人们生活环境质量的重要手段之一。传统的空气质量监测系统通常由专业机构设立，覆盖范围有限，且数据更新不够及时。为了能够让更多人方便地获取周围环境的空气质量信息，并采取相应的防护措施，个人级或小型化的空气质量监测设备应运而生。

本项目设计一款基于STM32微控制器的便携式空气质量监测设备，它不仅能够监测包括温度、湿度在内的基本气象参数，还特别关注了对人们健康影响较大的PM2.5颗粒物以及甲醛等有害气体的浓度。通过集成多种传感技术与无线通信技术，这款设备可以实现实时监测并即时反馈给用户当前所处环境下的空气质量状况。用户不仅可以通过设备自带的小尺寸OLED屏幕直接查看相关数据，还可以利用智能手机应用程序远程访问这些信息，极大地提升了使用的便捷性和灵活性。

考虑到实际应用中的需求，本项目还将加入报警机制，当监测到的任何一项指标超过预设的安全阈值时，设备将自动启动蜂鸣器发出警告，提醒用户注意可能存在的风险。此外，考虑到节能减排及使用便利性等因素，该设备选择了USB供电方式，使得其既环保又易于携带。整个系统的软硬件设计均采用了成熟的技术方案，如选择稳定性好、性能优异的STM32作为主控芯片，配合Keil MDK进行程序开发；而对于移动客户端，则是基于跨平台框架Qt来构建，确保了良好的用户体验。通过这样一个综合性的解决方案，希望能够为改善人们的生活质量和促进环境保护做出贡献。

软件运行效果：

框架图：

系统原理图：

实物模型图：

【2】设计实现的功能

该空气质量监测设备的设计通过多种传感器实时监测环境空气质量，并将相关数据通过OLED屏幕和手机APP进行展示与控制。

下面将详细介绍该设备的功能实现。

（1）检测环境空气湿度与温度

• • 功能描述：

• • 设备使用 SHT30 温湿度传感器检测当前环境的温度和湿度。

• • 温湿度传感器通过I2C通信与STM32主控芯片进行数据交互，实时获取环境数据。

• • 实现方式：

• • 配置STM32F103RCT6的I2C接口与SHT30传感器进行通信。

• • 获取传感器数据后进行处理，温度单位为摄氏度（°C），湿度单位为百分比（%RH）。

• • 将温湿度数据传送至OLED显示屏，并定时更新。

（2）检测空气PM2.5含量

• • 功能描述：

• • 设备使用 夏普PM2.5传感器 检测空气中的PM2.5颗粒物含量。

• • 该传感器可以通过信号输出PM2.5浓度，STM32读取该信号并转化为具体的浓度值。

• • 实现方式：

• • 配置STM32的GPIO输入口读取PM2.5传感器输出的信号。

• • 对信号进行处理，计算出PM2.5的浓度值。

• • 将PM2.5浓度值显示在OLED屏幕，并根据浓度变化实时更新。

（3）检测空气甲醛（HCHO）含量

• • 功能描述：

• • 设备采用 MS1100 VOC传感器 检测空气中的甲醛气体浓度。

• • 该传感器提供模拟信号输出，STM32通过ADC接口读取信号并转换为甲醛浓度。

• • 实现方式：

• • 配置STM32的ADC接口读取MS1100传感器输出的模拟信号。

• • 对读取的数据进行处理，将其转化为甲醛浓度（单位为ppm）。

• • 将甲醛浓度值显示在OLED屏幕，实时更新。

（4）OLED显示屏实时显示数据

• • 功能描述：

• • 设备配备0.96英寸OLED显示屏，用于显示实时采集到的空气质量数据，包括温度、湿度、PM2.5浓度和甲醛浓度。

• • 显示内容清晰直观，便于用户实时查看环境空气质量情况。

• • 实现方式：

• • 配置STM32与OLED显示屏的I2C接口进行数据传输。

• • 在OLED上显示温度、湿度、PM2.5浓度和甲醛浓度的实时数据，并根据不同数据周期性刷新显示内容。

• • 设计合理的界面排版，确保信息展示清晰且不重叠。

（5）手机APP查看数据

• • 功能描述：

• • 设备通过 ESP8266 WIFI模块 将监测数据通过WiFi传输到手机APP。

• • 手机APP使用Qt框架开发，支持在手机上查看温度、湿度、PM2.5和甲醛浓度。

• • 实现方式：

• • 配置STM32与ESP8266进行UART通信，STM32通过WiFi模块将实时监测的数据发送到云端或局域网中的移动设备。

• • App采用Qt框架开发，支持Android。

• • APP界面显示设备实时数据，并支持历史数据查看、设备状态监控等功能。

（6）数据超标提醒

• • 功能描述：

• • 当检测到的环境数据（如温度、湿度、PM2.5浓度、甲醛浓度）超出正常范围时，设备通过蜂鸣器发出声音报警。

• • 实现方式：

• • 设定合适的阈值（例如，温度超过35°C，PM2.5浓度超过100μg/m³，甲醛浓度超过0.1ppm等）作为超标判定依据。

• • STM32实时监控采集的数据，如果数据超标，则通过GPIO口控制有源蜂鸣器发出声音提醒。

• • 同时，设备通过OLED屏幕或APP向用户显示“报警”信息，提示用户注意。

（7）硬件和通信接口：

• • 硬件接口：

• • 温湿度传感器（SHT30）：通过I2C与STM32通信。

• • PM2.5传感器（夏普）：通过PWM信号与STM32通信。

• • VOC传感器（MS1100）：通过ADC接口与STM32通信。

• • ESP8266 WIFI模块：通过UART与STM32通信，负责将数据发送至手机APP。

• • OLED显示屏：通过I2C与STM32通信，实时显示数据。

• • 蜂鸣器：通过GPIO口触发蜂鸣器发出声音警报。

（8）软件开发：

• • STM32软件开发：

• • 使用Keil开发环境进行STM32的固件编程，采用C语言进行开发。

• • 在固件中编写各个传感器的数据采集、处理和显示代码。

• • 实现与ESP8266的WiFi通信，将数据传输至手机APP。

• • 设置数据超标阈值，并控制蜂鸣器发出报警声。

• • 手机APP开发

• • 使用Qt框架开发跨平台APP，支持Android。

（9）其他功能

• • 电源管理：

• • 设备通过USB接口供电，确保稳定的电力供应。

• • 设计电路时考虑电源管理，确保各个模块（如传感器、WIFI模块等）稳定工作。

【3】项目硬件模块组成

以下是该项目的硬件模块组成的详细描述，包括各模块的功能、作用及通信接口等。

（1）STM32F103RCT6 主控芯片

• • 功能与作用：

• • 作为该系统的核心控制单元，负责各个传感器的数据采集、处理、控制及通信。

• • 通过外设接口（如I2C、PWM、UART、GPIO等）与各模块进行数据交互。

• • 通过内部程序对数据进行分析、判断和控制，比如触发报警或数据传输等。

• • 硬件接口：

• • I2C：用于与SHT30（温湿度传感器）和OLED显示屏通信。

• • PWM输入：用于读取PM2.5传感器的PWM输出信号。

• • ADC：用于读取MS1100 VOC传感器输出的模拟信号（甲醛浓度）。

• • UART：用于与ESP8266 WiFi模块进行通信。

• • GPIO：用于控制蜂鸣器、LED等外设，进行超标报警提示。

（2）SHT30 温湿度传感器

• • 功能与作用：

• • 用于实时测量环境空气的温度和湿度。

• • 输出数字化的温湿度数据，通过I2C协议传输给STM32主控芯片。

• • 硬件接口：

• • I2C总线：与STM32F103RCT6通过I2C通信。

• • 数据输出：

• • 温度：精度为±0.3°C，范围：-40°C至+125°C。

• • 湿度：精度为±3%RH，范围：0%RH至100%RH。

（3）PM2.5 传感器（夏普GP2Y1010AU0F）

• • 功能与作用：

• • 用于检测空气中PM2.5颗粒物浓度。

• • 输出信号，表示PM2.5浓度的变化，STM32主控芯片通过读取该信号计算浓度值。

• • 硬件接口：

• • PWM信号输入：STM32通过GPIO输入读取传感器输出的PWM信号。

• • 数据输出：

• • 根据PWM周期的变化，STM32可以计算出PM2.5颗粒物的浓度，单位为µg/m³。

（4）MS1100 VOC 甲醛传感器

• • 功能与作用：

• • 该传感器用于检测空气中的有毒气体，特别是甲醛（HCHO）浓度。

• • 传感器输出模拟信号，STM32通过ADC接口读取并转换成甲醛浓度数据。

• • 硬件接口：

• • 模拟信号输入：通过STM32的ADC引脚接收MS1100传感器的模拟信号。

• • 数据输出：

• • 传感器根据空气中甲醛浓度的变化输出不同的电压值，STM32将其转化为甲醛浓度，单位为ppm（百万分之一）。

（5）ESP8266 WiFi模块

• • 功能与作用：

• • 用于将STM32采集的数据通过WiFi无线传输到手机APP或云服务器，实现远程查看和监控。

• • STM32通过UART接口与ESP8266通信，WiFi模块则负责数据的上传和网络连接。

• • 硬件接口：

• • UART通信：STM32与ESP8266通过串口进行通信。

• • 数据传输：

• • ESP8266通过WiFi连接互联网，将数据上传到云端或发送到本地网络中的手机APP。

（6）0.96英寸 OLED显示屏

• • 功能与作用：

• • 用于实时显示空气质量数据，包括温度、湿度、PM2.5浓度、甲醛浓度等。

• • OLED屏幕具有高对比度和较低的功耗，适用于实时显示信息。

• • 硬件接口：

• • I2C总线：与STM32F103RCT6通过I2C通信，显示实时数据。

• • 显示内容：

• • 显示温度、湿度、PM2.5浓度、甲醛浓度等信息，并根据实时变化刷新屏幕。

（7）有源蜂鸣器

• • 功能与作用：

• • 用于超标报警。当检测到的空气质量数据超出正常范围时，蜂鸣器会发出警告声音，提醒用户。

• • 硬件接口：

• • GPIO控制：通过STM32的GPIO口控制蜂鸣器的开关，发出高电平信号触发蜂鸣器报警。

• • 工作方式：

• • 当PM2.5、甲醛浓度、温湿度等指标超过设定的阈值时，STM32会通过GPIO输出高电平信号，蜂鸣器发出报警声。

（8）电源模块（USB接口供电）

• • 功能与作用：

• • 提供设备所需的稳定电源，通常使用5V电源（通过USB接口供电），以便为STM32、传感器、WiFi模块和显示屏提供电力。

• • 硬件接口：

• • USB接口：通过常见的USB接口连接到外部电源设备（如电源适配器、电脑或移动电源），提供5V电压。

（9）硬件模块组成

• • 主控芯片（STM32F103RCT6）：整个系统的核心，负责数据采集、处理、控制与通信。

• • 温湿度传感器（SHT30）：采集环境温湿度信息。

• • PM2.5传感器（夏普GP2Y1010AU0F）：检测空气中的PM2.5颗粒物浓度。

• • VOC甲醛传感器（MS1100）：检测空气中的甲醛浓度。

• • WiFi模块（ESP8266）：实现数据上传，便于手机APP远程查看。

• • OLED显示屏：显示实时的空气质量数据。

• • 蜂鸣器：超标报警，提醒用户注意空气质量。

• • 电源模块：为设备提供稳定的电源，通常通过USB接口提供5V电压。

【4】设计意义

设计基于STM32的空气质量监测设备具有重要的社会意义和实用价值。从公共卫生的角度来看，空气质量直接关系到居民的身体健康。PM2.5细颗粒物和甲醛等污染物能够深入人体呼吸系统，长期暴露于污染环境中可能会引发各种呼吸道疾病甚至更严重的健康问题。因此，提供一种简单易用、成本相对较低的个人空气质量监测工具，可以帮助人们随时了解自身所处环境的空气质量状态，从而采取适当的防护措施，减少有害物质对人体健康的潜在威胁。

在环境保护方面，这种监测设备的应用有助于提高公众对于空气质量问题的认识。通过让更多的个体参与到空气质量监测中来，可以促进社会各界对于环境污染的关注，激发人们保护环境的积极性。同时，大量的监测数据也可以为政府部门制定更加科学合理的环境保护政策提供有力的支持。例如，当某一区域频繁出现空气质量超标的情况时，相关管理部门可以据此加强监管力度，采取有效的治理措施以改善当地环境。

对于科研工作者而言，此类设备收集到的大规模、实时更新的数据集是非常宝贵的研究资源。它们可用于分析不同地区、不同时段内空气质量的变化趋势，探讨污染成因及其扩散规律，进而推动环境科学研究的发展。此外，随着物联网技术的进步，这些分散部署的监测点还可以联网形成一个覆盖广泛的信息网络，实现更大范围内空气质量状况的全面监控。

从技术创新角度来看，本项目的实施也是一次很好的尝试，它结合了先进的嵌入式系统设计、传感技术以及移动互联网应用等多个领域的最新成果。这不仅促进了相关学科之间的交叉融合，也为未来的智能家居、智慧城市等领域提供了更多可能性。通过这样一个集成了多项功能于一体的空气质量监测设备，不仅能够满足普通民众日常生活中对健康安全的需求，同时也为推动社会可持续发展做出了积极贡献。

【5】国内外研究现状

在国内外，空气质量监测已经成为环境科学和公共健康领域的一个重要议题。许多国家和地区已经建立了较为完善的空气质量监测体系，通过固定站点、移动车辆甚至是卫星遥感等多种方式对空气质量进行持续监测。随着技术的发展，个人级别的空气质量监测设备也逐渐流行起来，这些设备通常体积小巧、操作简便，并且能够与智能手机等智能终端连接，让用户随时随地掌握身边的空气质量情况。

在中国，政府高度重视空气质量监测工作，建立了覆盖全国主要城市的空气质量监测网络。比如北京市环境保护监测中心就设有多个监测站点，能够实时发布包括PM2.5、PM10、SO2等在内的多项污染物浓度信息。近年来，随着物联网技术的发展，一些地方政府也开始探索使用微型空气质量监测站，这类监测站占地面积小，安装灵活，可以布设在社区甚至学校附近，提供更为精细化的空气质量数据。例如，深圳市环境监测中心站就引入了微型空气质量监测设备，用于补充传统大型监测站点的数据空白区域，实现了对城市空气质量更全面的覆盖。

国际上，美国环境保护署（EPA）拥有非常成熟的空气质量指数（AQI）报告系统，它不仅提供了详尽的历史数据查询服务，还能根据当前监测结果向公众发出健康建议。此外，EPA鼓励创新科技应用于空气质量监测领域，如PurpleAir公司推出的家用PM2.5监测仪，就是一款颇受欢迎的产品。这些设备通过Wi-Fi将数据上传至云端，用户不仅可以自己查看家中或周边地区的空气质量情况，还能参与全球空气质量地图的绘制，帮助科学家们更好地理解大气污染模式。

另一个值得关注的例子是英国伦敦市开展的“Breathe London”项目，该项目旨在利用高科技手段提升城市空气质量监测水平。通过部署数百个小型空气质量传感器在整个大伦敦区，该项目能够以更高的分辨率捕捉到不同地点间细微的空气质量差异。结合大数据分析，研究人员能够识别出污染热点区域，并针对特定地点提出有针对性的治理建议。这种高度细分化、智能化的监测方法体现了未来空气质量管理的新方向。

综上所述，无论是国内还是国外，在空气质量监测方面都展现出了强劲的发展势头和技术进步。从政府主导的大规模监测网络到面向消费者的个人化监测产品，再到借助新兴技术实现的精准化管理，都反映了人们对于改善空气质量、保护生态环境的共同愿望。随着更多高效准确的监测技术和数据分析方法的应用，相信未来将能更好地应对空气污染带来的挑战。

【6】摘要

本项目设计了一种基于STM32的空气质量监测设备，在通过实时检测环境中的温度、湿度、PM2.5和甲醛浓度，帮助用户及时了解空气质量状况，从而保护用户的健康。该系统通过多个传感器（SHT30温湿度传感器、夏普PM2.5传感器、MS1100 VOC传感器）采集空气数据，使用STM32F103RCT6微控制器进行数据处理与控制。实时采集的数据通过OLED显示屏进行本地显示，同时，系统通过WiFi模块（ESP8266）利用TCP协议将数据传输至手机APP，用户可以在APP上查看实时数据并监控空气质量。此外，当检测到的环境数据超出设定范围时，系统会通过蜂鸣器发出声音提醒，确保用户及时采取措施。设备通过USB接口供电，操作简单且易于部署。该系统具有较高的实用性，适用于家庭、办公室及室内环境的空气质量监测。

关键字

空气质量监测；STM32；温湿度检测；PM2.5检测；甲醛检测；OLED显示屏；WiFi通信；TCP协议；蜂鸣器报警；ESP8266

1.2 设计思路

设计基于STM32的空气质量监测设备的核心理念在于创建一个高效、可靠且用户友好的系统，以满足人们对居住环境空气质量监测日益增长的需求。设计的出发点是认识到空气污染已成为影响全球健康的重要因素之一，尤其是PM2.5和甲醛等污染物对呼吸系统和整体健康的潜在危害。因此，本项目致力于开发一款集成了多种传感器技术、具备实时监测能力并且易于使用的设备。

在硬件选择上，挑选了适合的传感器来保证数据的准确性。SHT30温湿度传感器因其高精度和稳定性被选用；夏普PM2.5传感器则以其在颗粒物检测方面的出色表现而被采纳；MS1100VOC传感器专为检测挥发性有机化合物（包括甲醛）设计，适用于室内空气质量监测。这些传感器的选择确保了设备能够准确捕捉到环境中关键的空气质量指标。此外，采用ESP8266作为Wi-Fi模块，不仅因为它的低成本和广泛应用，而且因为它支持TCP/IP协议栈，便于实现与手机APP的局域网通信。

考虑到用户的直观体验，决定配备一个0.96寸OLED显示屏来实时展示监测结果。OLED显示屏具有对比度高、视角广的特点，即使在户外也能清晰读取数据。同时，通过集成蜂鸣器作为警报装置，当监测数据超出预设的安全阈值时，设备能够立即发出声音提示，提醒用户采取必要的防护措施。

软件层面的设计同样重要。对于STM32微控制器的编程，选择了Keil MDK开发环境和C语言，这是由于C语言在嵌入式开发中的高效性和Keil MDK强大的调试功能。通过编写合适的驱动程序和算法，能够有效地处理来自各个传感器的数据，并将其格式化后显示在OLED屏幕上或通过Wi-Fi传输到用户的智能手机上。手机APP的开发采用了Qt框架和C++语言，这是因为Qt跨平台特性和丰富的UI组件可以简化开发流程，同时提供流畅的用户体验。

整体设计遵循了模块化原则，即每个部分——无论是传感器数据采集、数据显示还是无线通信——都被设计成独立的模块，这样不仅便于维护和升级，也使得整个系统更加健壮。通过这种方式，能够构建起一个既符合现代技术标准又贴近用户需求的空气质量监测解决方案。最终目标是让用户能够轻松获取到准确可靠的空气质量信息，从而更好地保护自己的健康。

1.3 系统功能总结

1.4 开发工具的选择

【1】设备端开发

STM32的编程语言选择C语言，C语言执行效率高，大学里主学的C语言，C语言编译出来的可执行文件最接近于机器码，汇编语言执行效率最高，但是汇编的移植性比较差，目前在一些操作系统内核里还有一些低配的单片机使用的较多，平常的单片机编程还是以C语言为主。C语言的执行效率仅次于汇编，语法理解简单、代码通用性强，也支持跨平台，在嵌入式底层、单片机编程里用的非常多，当前的设计就是采用C语言开发。

开发工具选择Keil，keil是一家世界领先的嵌入式微控制器软件开发商，在2015年，keil被ARM公司收购。因为当前芯片选择的是STM32F103系列，STMF103是属于ARM公司的芯片构架、Cortex-M3内核系列的芯片，所以使用Kile来开发STM32是有先天优势的，而keil在各大高校使用的也非常多，很多教科书里都是以keil来教学，开发51单片机、STM32单片机等等。目前作为MCU芯片开发的软件也不只是keil一家独大，IAR在MCU微处理器开发领域里也使用的非常多，IAR扩展性更强，也支持STM32开发，也支持其他芯片，比如：CC2530,51单片机的开发。从软件的使用上来讲，IAR比keil更加简洁，功能相对少一些。如果之前使用过keil，而且使用频率较多，已经习惯再使用IAR是有点不适应界面的。

【2】上位机开发

上位机的开发选择Qt框架，编程语言采用C++；Qt是一个1991年由Qt Company开发的跨平台C++图形用户界面应用程序开发框架。它既可以开发GUI程序，也可用于开发非GUI程序，比如控制台工具和服务器。Qt是面向对象的框架，使用特殊的代码生成扩展（称为元对象编译器(Meta Object Compiler, moc)）以及一些宏，Qt很容易扩展，并且允许真正地组件编程。Qt能轻松创建具有原生C++性能的连接设备、用户界面（UI）和应用程序。它功能强大且结构紧凑，拥有直观的工具和库。

1.5 参考文献

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1.6 系统框架图

1.7 系统原理图

1.8 实物图