基于室内多参数空气质量检测及火警预防系统设计

摘要：本文旨在设计一个基于无线通信技术的智能室内空气质量检测及火警预防系统。该系统通过部署烟雾、温湿度和PM2.5传感器，实时监测室内环境参数，并将数据传输至用户终端，实现远程监控。系统具备自动报警和通风功能，确保在空气质量超标或火灾迹象时及时采取措施，保障用户安全。

关键词：无线通信；空气质量检测；火警预防；远程监控

1. 引言

随着城市化进程的加快，室内空气质量问题日益突出。传统的空气质量监测方法存在监测点固定、数据传输不便等问题。人们对实时便携的空气质量检测需求越来越大，为此提出一种以无线通信技术为核心的智能室内多参数空气质量检测及火警预防系统，实现数据实时监测、智能调节、数据传输等功能，可广泛应用于日常生活或者环保等领域。本文集成多种监测传感器采集多种参数信号，集成无线通信下的自动报警装置，及时检测出当前环境参数，在检测设备终端进行显示，将数据上传至云平台便于电脑端和手机端查看数据，最大限度的保护人们的身体及财产安全。

2.系统总体设计方案

本设计采用无线通信技术，打造一个智能室内空气质量检及火警预防系统，该系统能够在室内、车内及其他小型密闭空间内对环境污染指数进行实时监测。通过部署烟雾、温湿度和PM2.5传感器，系统能连续输出响应数据，这些数据由单片机采集。用户可通过蓝牙将数据传输至手机或电脑，实现远程监控空气质量。一旦PM2.5、温湿度或有毒气体浓度超过预设阈值，系统会触发报警，并在有害气体或PM2.5超标时启动风扇通风。此外，为增强安全性能，系统还额外集成了火警预防功能，确保在检测到火焰迹象时及时采取措施，保障用户安全。系统总体框图设计如图1所示。

3.系统硬件设计

系统硬件设计主要包括：单片机主控模块、液晶显示模块、蓝牙传输模块、温湿度检测模块、声光报警模块、有毒气体检测模块、按键模块等。在硬件方面，采用先进的传感器技术和无线通信技术，能够实时监测室内空气中的温湿度、甲醛等关键指标。同时，系统还配备丰富的智能硬件，如空调、新风设备、空气净化器等，以便实现室内空气质量的全面控制。系统各模块功能结构框图如图2所示。

3.1 烟雾传感器模块设计

MQ-2烟雾传感器的输出信号为模拟信号，此信号转换为数字信号后，由单片机负责采集并进行数据处理，所有这些处理过程均在OLED12864上完成。此模块与微控制器衔接，将数据发送至微控制器进行评估，一旦读数超出预定界限，则触发报警提示，并激活风扇以执行冷却作业。本设计中，烟雾传感器的AQ接口接至单片机PA4，进行信号传输。烟雾感应模块的电路设计图如图3所示。

3.2 PM2.5检测模块设计

PM2.5是对粉尘和细小颗粒物检测的传感器，该传感器种类很多，PM2.5的驱动方式有多种，一个是与单片机进行通信可以对数据进行读取交互，一个是单片机通过AD去检测当前的变化，计算当前的PM2.5的浓度。第三个就是利用PWM去读取反馈的数据。PMW方式利用的是定时器2资源，所以在此次设计中，采用了PWM去对粉尘进行数据读取。采用的是ZPH01粉尘传感器，该传感器是一个宽电压供电的传感器，输出数据方式多样，可以进行综合应用。

由于采用了光的折光原则，在其内部形成了一个红外线LED和一个光敏三极管，传感器的中央有一个可以让空气流通的圆孔，当圆孔中有颗粒时就会产生反射，此时该模块会接收到红外线，从而改变输出端的电压，输出的是一个与测量尘埃浓度成比例的仿真电压，此时测出输出电压，然后通过计算公式3-1就可以算出浓度。如果检测到PM2.5的浓度大于75µg/m³，空气报警器报警，并且风扇会开始工作，该模块与单片机的P32相连接。PM2.5模块电路图如图4所示。

3.3 单片机控制模块

作为系统核心，采用单片机（如STC89C51系列），负责协调各模块，处理采集信息，依结果决策，如触发报警、通过蓝牙传输数据等。STC89C51单片机作为系统的控制核心，其工作原理主要基于指令执行、时钟系统、中断机制和I/O口操作。系统通过各类传感器采集室内空气质量参数（如温湿度、PM2.5浓度、甲醛浓度等）和火警信号，这些信号经过调理后输入到单片机。单片机对接收到的数据进行处理、分析和判断，根据预设的阈值进行超限报警，并通过通信模块将数据传输至用户终端。单片机通过ADC模块采集传感器数据，并进行初步处理，处理后的数据通过蓝牙模块传输至用户终端。用户可以通过手机或电脑上的应用程序接收实时数据。系统预设多个阈值，当监测数据超过阈值时，系统会触发报警并启动相应的执行机构。报警信息通过短信或推送通知发送至用户手机。

3.4 通信模块

系统采用蓝牙通信技术，将采集到的数据传输至用户终端。蓝牙技术具有低功耗、低成本和短距离通信的优势，适合用于室内环境数据传输。此外，蓝牙通信技术还具备良好的兼容性和广泛的设备支持，能够轻松连接智能手机、平板电脑等多种用户终端，实现数据的即时查看与分析。在数据传输过程中，蓝牙技术采用先进的加密算法，确保数据的安全性和隐私保护，有效防止信息泄露。如图5展示了蓝牙模块的电路布局。

3.5 执行机构

系统配备风扇和报警器，当PM2.5、温湿度或有毒气体浓度超过预设阈值时，系统会自动启动风扇通风或触发报警。

4.系统软件设计

本设计以STC89C51单片机为核心，利用温湿度、PM2.5、有害气体传感器，按键输入、声光报警和数据处理模块实现对空气环境质量的检测。温湿度、PM2.5、有毒气体等传感器将所获得的模块数据进行模数变换，将所获得的模拟信号转换为数字信号，然后将数值传递到单片机，经过简单的运算后，通过单片机来实现对LCD和报警系统的控制，以此来完成数据的显示与报警。与此同时，当超过PM2.5、有毒气体的阈值时，液晶显示模块会显示数值并且风扇会进行转动，进而达到除尘的效果。系统软件流程图如图6所示。

5. 结论

本设计提出一种以无线通信技术为核心的智能室内多参数空气质量检测及火警预防系统，通过软硬件设计与调试，可实时检测各种空气质量指标。利用空气质量数据采集模块采集空气中的温度、湿度、PM2.5等信息，采集的数据经过处理后，各模块能及时检测出当前环境中被测参数的质量变化，在检测设备终端进行显示，将数据上传至云平台便于电脑端和手机端查看数据，具有实时监测多参数和远程监控的特点。

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基金项目：沈阳城市建设学院2024年大学生创新创业训练计划项目，项目名称：“智慧生活”—智能室内多参数空气质量检测及火警预防系统，项目编号：202413208033。