一種節能環保型的智能室內環境監測裝置的製作方法

2023-09-10 09:39:10 3

本發明屬於通信技術領域，具體涉及到一種節能環保型的智能室內環境監測裝置。

背景技術：

隨著城市工業化的不斷發展和現代化建設的不斷演進，國內外大中型城市都出現了空氣汙染的狀況。尤其是2012年冬天以來，中國華北大部分地區出現了以pm2.5為主要汙染物的霧霾天氣。和空氣中比較大的顆粒物不同，顆粒直徑較小，在表面上存在著一些有毒害的有機物和無機物，可以在空氣中長期滯留，還有可能隨著風被吹散到較遠的地方，所以對人們的生活產生很大影響，也會危及到人們的身體健康。隨著中國經濟發展的越來越好，人們生活水平質量也快速提高。從而人們對自己生活的環境以及對於自身健康生活的意識也在逐年提升。因此對室內空氣品質監測的需求量也變得很大，其中，全國人們生活中最在乎的汙染問題主要在以下方面。由於房屋裝修、黴菌、吸菸、殺蟲噴霧劑以及pm2.5等帶來的有害氣體，如甲醛、苯、揮發性有機物等致癌物質，可造成哮喘、頭疼頭暈、五官不適、一些種類的貧血病、血癌、腹中小孩發育不良、小孩智力明顯降低等很多種症狀的疾病。特別是進入夏天，32℃或更高時，裝飾裝修用料、家用的一些東西等釋放出的有害氣體變的越來越多，家裡的汙染變得越來越大，因此而造成的大腦缺氧疾病增多，最常見的身體上下發抖、口眼不正常、注意力不集中為多，特別影響人們的正常生活和工作。

為了保證人們的健康，為了能夠實時了解室內環境中的空氣品質，提高家庭居住環境，需要對室內空氣中的有害氣體進行有效的監測，以便採取有效的預防和改善措施。目前市場上室內空氣監測的產品價格很貴，測定時間長，功能不完善，專用性弱，並要專人進行控制，很難連續進行工作，每隔一定時間就需要進行重新設定。隨著現代科學技術的發展，特別是電子通信技術的快速發展使得測量儀器的度越來越高。從而使室內測量儀器儀表向著智能化的方向迅速發展。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是，利用網絡技術，無線通信原理以及信息採集技術和顯示技術、無線能量收集技術、提供一種節能環保型的智能室內環境監測裝置，用來實時監測家庭內狀況，並在家庭室內環境異常時及時將室內相應的環境信息通過通信網絡發送到用戶的手機上。

上述的技術問題通過以下的技術方案實現：

一種節能環保型的智能室內環境監測裝置，其結構有主控模塊1、顯示模塊5、環境檢測裝置和供電裝置，其特徵在於，結構還有通信模塊4，所述的環境檢測裝置由甲醛氣體監測模塊2和溫溼度監測模塊3構成，所述的供電裝置是無線能量收集電源模塊6；其中甲醛氣體監測模塊2、溫溼度監測模塊3、通信模塊4、顯示模塊5均與主控模塊1相連，無線能量收集電源模塊6為各模塊提供電源；

所述的主控模塊1的結構為：arm晶片stm32f103zet6的8腳和9腳之間接頻率為32.768khz的晶振y1，同時8腳和9腳還分別通過電容c1和電容c2接地，24腳連接頻率為8mhz的晶振y2的一端，晶振y2的兩端分別與電阻r1的兩端相連，還分別通過電容c3和c4接地，stm32f103zet6的30腳接地，33腳通過電阻r2接電源vdd，同時33腳還通過兩個並聯的電容c5和c6接地，16腳、38腳、51腳、61腳、71腳、83腳、94腳、107腳、120腳、130腳和143腳接地，17腳、39腳、52腳、62腳、72腳、84腳、95腳、108腳、121腳、131腳和144腳均連接電源vdd；

所述的甲醛氣體監測模塊2的結構為：mq-138傳感器的1腳接電源vdd，4腳接地，2腳、3腳分別接運放u1a的同相輸入端和反相輸入端，運放u1a的4腳同時接電阻r3的一端、電容c7的一端和場效應管j1的漏極，電阻r3和電容c7的另一端接到運放u1a的1腳，運放u1a的2腳接地、5腳接電源vdd，3腳接場效應管j1的源極並接地，場效應管j1的柵極接電阻r4的一端，電阻r4的另一端接電源vdd，運放u1a的1腳與主控模塊1中的arm晶片stm32103zet6的69腳相連接；

所述的溫溼度監測模塊3的結構為：傳感器晶片sht11的gnd端接地，vdd端接電源vdd，data端接主控模塊1中arm晶片stm32f103zet6的34腳，data端還通過電阻r5接電源vdd，sck端接主控模塊1中的arm晶片stm32f103zet6的137腳。

所述的通信模塊4的結構為，晶片enc28j60的管腳2、11、22、25、26接地，1腳通過電容c8接地，14腳通過電阻r6接地，19、23、24、29、32腳接電源vdd，3腳接主控模塊1中的arm晶片stm32f103zet6的45腳，4腳接主控模塊1中的arm晶片stm32f103zet6的96腳，6，7，8分別接主控模塊1中的arm晶片stm32f103zet6的111,112,113腳，27、28腳與頻率為25mhz的晶振y3的兩端相連，並且分別通過電容c9、電容c10接地，30腳接led燈a，31腳接led燈b；

為了達到節能環保的目的，本發明的供電裝置採用無線能量收集電源模塊6構成，在家庭電路無法進行供電的時候可以利用該裝置收集的能量進行供電，增加該裝置還能夠保證環境監測裝置更有效的對室內環境進行監測，提高了穩定性，還達到了環保節能的目的。所述的無線能量收集電源模塊6由接收天線61、rf-dc整流升壓模塊62、能量存儲模塊63、電源管理模塊64和充電電池65構成；

所述的接收天線61的結構為平面對數周期天線，天線整體由6節振子組成，頂面振子與底面振子交叉排列，饋電點左側振子與右側振子呈中心對稱結構，中間介質層為fr-4板材，介質層的正面是銅片正面振子，反面是銅片反面振子；

所述的rf-dc整流升壓模塊62的結構為：電容c11的一端作為rf-dc整流升壓模塊的輸入端，記為m1_in，並與接收天線61的輸出端相連，電容c11的另一端與電感l1的一端以及電容c12～電容c17的一端相連，電感l1的另一端接地，電容c11和電感l1共同組成該模塊的匹配網絡，電容c12～電容c17的另一端依次分別接二極體d1、二極體d3、二極體d5、二極體d7、二極體d9、二極體d11的陰極，二極體d1的陽極接地，陰極接二極體d2的陽極，二極體d2的陰極接二極體d3的陽極，二極體d3的陰極接二極體d4的陽極，二極體d4的陰極接二極體d5的陽極，二極體d5的陰極接二極體d6的陽極，二極體d6的陰極接二極體d7的陽極，二極體d7的陰極接二極體d8的陽極，二極體d8的陰極接二極體d9的陽極，二極體d9的陰極接二極體d10的陽極，二極體d10的陰極接二極體d11的陽極，二極體d11的陰極接二極體d12的陽極，二極體d12的陰極作為rf-dc整流升壓模塊的輸出端，記為m1_out，二極體d3、二極體d5、二極體d7、二極體d9、二極體d11的陽極依次分別通過電容c18～電容c22接地；

所述的能量存儲模塊63是由一個超級電容c構成，超級電容c的正極同時作為能量存儲模塊63的輸入端和輸出端，負極接地；

所述的電源管理模塊64的結構為：電容c23的一端接晶片lm317l的引腳2，並作為電源管理模塊的輸入端，記為m4_in，並與能量存儲模塊63的輸出端相連，電容c23的另一端接地，電阻r8的一端接晶片lm317l的引腳3，並作為電源管理模塊64的輸出端，記為m2_out，接充電電池65的輸入端，充電電池為整個系統供電，電阻r8的另一端接晶片lm317l的1引腳並通過可變電阻r9接地，電容c24的一端接地，另一端接埠m2_out；

電路的優選參數為，各電阻參數分別為，r1：1mω，r2：10ω，r3：2mω，r4:1mω，r5：4.7k,r6：2.3kω，各電容的參數分別為，c1：10uf，c2：10uf，c3：22uf，c4：22uf，c5：10uf，c6：0.1uf，c7:1uf，c8：10uf，c9,c10：22pf，c11：2.39pf，c12：0.1uf，c13：0.1uf，c14：0.1uf，c15：0.1uf，c16：0.1uf，c17：0.1uf，c18：0.1uf，c19：0.1uf，c20：0.1uf，c21：0.1uf，c22：0.1uf，c23：0.1uf，c24：0.1uf；所述的超級電容c優選型號為su2400p-0027v-1ra，電感參數l1：9.22nh；二極體d1，d2，d3，d4，d5，d6，d7，d8，d9，d10，d11，d12，均為肖特基微波檢波二極體，型號為hsms-2862；運放u1a的型號為：opa333，場效應管j1的型號為j175，三極體q1、三極體q2的型號均為2n3904；電源vdd的電壓為+5v。

所述的接收天線61的優選參數為：振子第一級振子為長度125mm，寬度2mm的銅片，第二級振子為長度110mm，寬度2mm的銅片，第三級振子為長度100，寬度2mm的銅片，第四級振子為長度92.5mm，寬度2mm的銅片，第五級振子為長度87.5，寬度2mm的銅片，第六級振子為長度84mm，寬度2mm的銅片，振子間距分別為61.5mm，59.5mm，54.5mm，51.5mm，54mm，介質層為長為255mm，寬為285mm的rf-4板材。

所述的顯示模塊5可以採用以下結構：液晶顯示屏lcd12864的vdd埠和bla端接電源vdd，vss埠和blk端接地，vl埠接滑動變阻器r7的一端，滑動變阻器r7的另一端和滑線端接地，液晶顯示屏lcd12864的數據端d0～d7共8個引腳依次與主控模塊1中arm晶片stm32f103zet6的2～5腳、58～60腳和63腳共8個引腳相連，滑動變阻器r7的優選阻值為10kω。

本發明的技術方案有以下有益效果：

1、本發明通過甲醛傳感器和溫溼度傳感器自動採集室內環境信息，並把當前室內環境數據顯示在液晶顯示屏上，方便用戶查詢。

2、本發明通過通信網絡向預設的手機號碼發送報警簡訊，能在室內空氣品質不達標的時候提醒用戶，並能把當前室內環境信息發送到用戶手機上，方便用戶對室內環境進行監控。

3、本發明採用通信模塊，可以在極短的時間內就完成室內環境信息等數據業務的採集與傳送，便於用戶遠程查看當前室內環境信息，更有利於用戶做出相應的措施，改善當前空氣品質，同時提高了通信網絡的利用率。

4、本發明通過無線能量收集裝置實現了能量的循環利用，達到了環保節能的效果，適應了當今社會的發展趨勢。

綜上所述，本發明能夠有效測量當前室內環境並當環境質量不達標時進行及時提醒。同時，本發明促進了室內環境檢測技術的進步，從而直接積極地影響環境檢測行業的發展，推動該行業的電子市場的發展。

附圖說明

圖1是本發明的總體結構框圖。

圖2是主控模塊1的原理圖。

圖3是甲醛氣體監測模塊2的原理圖。

圖4是溫溼度監測模塊3和主控模塊1的連接示意圖。

圖5是通信模塊4的原理圖。

圖6是顯示模塊5和主控模塊1的連接示意圖。

圖7是本發明的供電裝置的結構框圖。

圖8是接收天線61的原理圖。

圖9是rf-dc整流升壓模塊62的原理圖。

圖10是電源管理模塊64的原理圖。

具體實施方式

下面結合附圖進一步說明本發明的結構及工作原理，本發明中各元器件的優選參數已標於附圖中。

實施例1本發明的整體結構

參照圖1，本發明是一種節能環保型的智能室內環境監測裝置，其結構有主控模塊1、甲醛氣體監測模塊2、溫溼度監測模塊3、通信模塊4、顯示模塊5和無線能量收集電源模塊6。其中甲醛氣體監測模塊2、溫溼度監測模塊3、通信模塊4、顯示模塊5均與主控模塊1相連。主控模塊1負責協調各模塊之間的工作，甲醛氣體監測模塊2檢測當前室內空氣中甲醛氣體濃度，把相應的數據發送給主控模塊1，同時當室內空氣中甲醛氣體超標時通過通信模塊4向用戶手機中發送報警信息，用戶的手機號可預存在通信模塊4中，溫溼度監測模塊3用於實時監測室內的溫溼度情況，並將監測數據傳送給主控模塊1，同時顯示到顯示模塊5上，當溫溼度的監測數據超出正常範圍時，立即通過通信模塊3向用戶手機發送報警信息並把當前室內空氣數據發送到用戶手機上，室內溫溼度的數據的正常範圍可由用戶預先設定，本發明中，採用無線能量收集電源模塊6作為供電系統為各模塊提供電源，起到節能環保的目的。

實施例2本發明的主控模塊1

參照圖2，本發明的主控模塊1的結構為：arm晶片stm32f103zet6的8腳和9腳之間接頻率為32.768khz的晶振y1，同時8腳和9腳還分別通過電容c1和電容c2接地，24腳連接頻率為8mhz的晶振y2的一端，晶振y2的兩端分別與電阻r1的兩端相連，還分別通過電容c3和c4接地，stm32f103zet6的30腳接地，33腳通過電阻r2接電源vdd，同時33腳還通過兩個並聯的電容c5和c6接地，16腳、38腳、51腳、61腳、71腳、83腳、94腳、107腳、120腳、130腳和143腳接地，17腳、39腳、52腳、62腳、72腳、84腳、95腳、108腳、121腳、131腳和144腳均連接電源vdd。

實施例3本發明的甲醛氣體監測模塊2

參照圖3，本發明的甲醛氣體監測模塊2的結構為：mq-138傳感器的1腳接電源vdd，4腳接地，2腳、3腳分別接運放u1a的同相輸入端和反相輸入端，運放u1a的4腳同時接電阻r3的一端、電容c7的一端和場效應管j1的漏極，電阻r3和電容c7的另一端接到運放u1a的1腳，運放u1a的2腳接地、5腳接電源vdd，3腳接場效應管j1的源極並接地，場效應管j1的柵極接電阻r4的一端，電阻r4的另一端接電源vdd，運放u1a的1腳與主控模塊1中的arm晶片stm32103zet6的69腳相連接；該模塊實現對室內氣體中甲醛濃度進行實時監測，並把相應的數據送到主控模塊1上。

實施例4本發明的溫溼度模塊3

參照圖4，本發明的溫溼度監測模塊3的結構為：傳感器晶片sht11的gnd端接地，vdd端接電源vdd，data端接主控模塊1中arm晶片stm32f103zet6的34腳，data端還通過電阻r5接電源vdd，sck端接主控模塊1中的arm晶片stm32f103zet6的137腳。

實施例5本發明的通信模塊4

參照圖5，本發明的通信模塊4的結構為：晶片enc28j60的管腳2、11、22、25、26接地，1腳通過電容c8接地，14腳通過電阻r6接地，19、23、24、29、32腳接電源vdd，3腳接主控模塊1中的arm晶片stm32f103zet6的45腳，4腳接主控模塊1中的arm晶片stm32f103zet6的96腳，6，7，8分別腳接主控模塊1中的arm晶片stm32f103zet6的111,112,113腳，27、28腳與頻率為25mhz的晶振y3的兩端相連，並且分別通過電容c9、電容c10接地，30腳接led燈a,31腳接led燈b。

該模塊可實現空氣檢測裝置與用戶手機間的通信，在室內環境異常時將室內的甲醛濃度以及溫溼度等信息及時發送到用戶手機上。其中，晶片enc28j60可以作為任何含有spi接口單片機的乙太網接口。使用spi接口與單片機通信。enc28j60由七個主要功能模塊構成：phy模塊、spi接口、mac模塊、雙埠arm緩衝器、判優器、總線接口，還包括其他例如震蕩器、片內穩壓器、電平轉換和系統控制邏輯。

實施例6本發明的顯示模塊5

參照圖6，本發明的顯示模塊5的結構為：液晶顯示屏lcd12864的vdd埠和bla端接電源vdd，vss埠和blk端接地，vl埠接滑動變阻器r7的一端，滑動變阻器r7的另一端和滑線端接地，液晶顯示屏lcd12864的數據端d0～d7共8個引腳依次與主控模塊1中arm晶片stm32f103zet6的2～5腳、58～60腳和63腳共8個引腳相連。

實施例7本發明電源的接收天線61

參照圖8，所述的接收天線61的結構為平面對數周期天線，天線整體由6節振子組成，頂面振子與底面振子交叉排列，饋電點左側振子與右側振子呈中心對稱結構，中間介質層為fr-4板材，介質層的正面是銅片正面振子，反面是銅片反面振子。接收天線接收射頻能量將其轉換為直流能量。

振子第一級振子為長度d1，寬度w1的銅片，第二級振子為長度d2，寬度w2的銅片，第三級振子為長度d3，寬度w3的銅片，第四級振子為長度d4，寬度w4的銅片，第五級振子為長度d5，寬度w5的銅片，第六級振子為長度d6，寬度w6的銅片，振子間距分別為g1，g2，g3，g4，g5，介質層為長為w，寬為l的rf-4板材，參數具體數值如表1所示。

表1所述接收天線的參數列表(mm)

實施例8本發明電源的rf-dc整流升壓模塊62

參照圖9，所述的rf-dc整流升壓模塊的結構為：電容c11的一端作為rf-dc整流升壓模塊的輸入端，記為m1_in，並與接收天線61的輸出端相連，電容c11的另一端與電感l1的一端以及電容c12～電容c17的一端相連，電感l1的另一端接地，電容c11和電感l1共同組成該模塊的匹配網絡，電容c12～電容c17的另一端依次分別接二極體d1、二極體d3、二極體d5、二極體d7、二極體d9、二極體d11的陰極，二極體d1的陽極接地，陰極接二極體d2的陽極，二極體d2的陰極接二極體d3的陽極，二極體d3的陰極接二極體d4的陽極，二極體d4的陰極接二極體d5的陽極，二極體d5的陰極接二極體d6的陽極，二極體d6的陰極接二極體d7的陽極，二極體d7的陰極接二極體d8的陽極，二極體d8的陰極接二極體d9的陽極，二極體d9的陰極接二極體d10的陽極，二極體d10的陰極接二極體d11的陽極，二極體d11的陰極接二極體d12的陽極，二極體d12的陰極作為rf-dc整流升壓模塊的輸出端，記為m1_out，二極體d3、二極體d5、二極體d7、二極體d9、二極體d11的陽極依次分別通過電容c18～電容c22接地。該模塊把接收電線接收到的微弱的rf能量轉換成高電壓的dc電壓。

實施例9本發明的電源管理模塊64

參照圖10，所述的電源管理模塊的結構為：電容c23的一端接晶片lm317l的引腳2，並作為電源管理模塊的輸入端，記為m4_in，並與能量存儲模塊63的輸出端相連，電容c23的另一端接地，電阻r8的一端接晶片lm317l的引腳3，並作為電源管理模塊64的輸出端，記為m2_out，接充電電池65的輸入端，充電電池為整個系統供電，電阻r8的另一端接晶片lm317l的1引腳並通過可變電阻r9接地，電容c24的一端接地，另一端接埠m2_out。該模塊將能量存儲模塊63輸出的不穩定的直流電壓，穩定成穩定的直流電壓為充電電池充電。

實施例10本發明的arm--控制程序