１４０ 传感器与微系统（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ） ２０１６年第３５卷第ｌ２期 ＤＯＩ：１０．１３８７３／Ｊ．１０００－９７８７（２０１６）１２－０１４０－０３ ＦＰＧＡ的室内空气质量检测与调节系统 王媛媛，段敏杰，童军 （西安科技大学电气与控制工程学院微电子创新实验室，陕西西安７１００５４） 摘要：提出了一种基于现场可编程门阵列（ＦＰＧＡ）的无线室内空气质量检测与调节系统设计方法，并对 数据采集、蓝牙通信、步进电机驱动控制原理和系统方案进行了全面分析。实验结果证明：系统实现了对 室内温度等质量信息的采集、ＬＣＤ显示、通信、上位机远程调节处理等功能，保证了室内空气质量检测数据 的实时性、可靠性。系统适用于智能、绿色家居，以及蔬菜种植大棚等需要对空气质量进行评价的场所。 关键词：现场可编程门阵列；蓝牙；步进电机；空气检测 中图分类号：ＴＮ９９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００－９７８７（２０１６）１２－０１４０－０３ Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ａｎｄ ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｉｎｄｏｏｒ ａｉｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＰＧＡ ＷＡＮＧ Ｙｕａｎ—ｙｕａｎ，ＤＵＡＮ Ｍｉｎ－ｊｉｅ，ＴＯＮＧ Ｊｕｎ （Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００５４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｗａｙ ｔｏ ｄｅｔｅｃｔ ａｎｄ ａｄｊｕｓｔ ｉｎｄｏｏｒ ａｉｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｂｙ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｉｆｅｌｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ（ＦＰＧＡ），ａｎｄ ｄａｔａ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ，Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ｄｒｉｖｅ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｆｏｒ ｓｔｅｐｐｉｎｇ ｍｏｔｏｒ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｒｅａｌｉｚｅｓ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎｄｏｏｒ，ｄｉｓｐｌａｙ ｏｎ ＬＣＤ，ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｍｏｔｅ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｂｙ ｕｐｐｅｒ ＰＣ．Ｉｔ ａｓｓｕｒｅｓ ｄｅｔｅｃｔ ｒｅａｌ ｔｉｍｅ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｉｎｄｏｏｒ ａｉｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｄａｔａ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ｐｌａｃｅ ｗｈｉｃｈ ａｉｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｉｓ ｈｏｐｅｄ ｔｏ ｂｅ ｅｖａｌｕａｔｅｄ，ｓｕｃｈ ａｓ ｇｒｅｅｎ ｓｍａｒｔ ｈｏｍｅ，ｖｅｇｅｔａｂｌｅ ｐｌａｎｔｉｎｇ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｉｅｌｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔａ ａｒｒａｙ（ＦＰＧＡ）；Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ；ｓｔｅｐｐｉｎｇ ｍｏｔｏｒ；ａｉｒ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ０ 引 言 传感技术，设计了智能室内空气质量检测与调节系统，系统 具有操作简单，实时性、可靠性高，方便维护、升级，智能化、 网络化 等特点。 １整体系统设计方案 系统硬件为Ｃｙｃｌｏｎｅ系列ＦＰＧＡ开发平台，软件开发环 境为Ｑｕａｒｔｕｓ ＩＩ １３．０，采用硬件描述语言（ＶＨＤＬ）完成数据 流描述。 随着社会进步和经济的发展，人们越来越崇尚优越、舒 适、安全的室内环境，但各类建材、家用电器 然气等进驻 室内，给人们带来方便，同时它们所造成的室内污染、危害 也令人担忧 。室内空气污染给社会、家庭和个人带来巨 大的损失 。因此，研究设计室内空气质量检测系统以提 高人们生活的质量，保障安全有着非常重要的意义。 同时，在数字电路设计中，ＦＰＧＡ发挥着越来越重要的 作用，从简单的接口电路设计到复杂的状态机甚至系统级 芯片（ｓｙｓｔｅｍ ｏｎ ｃｈｉｐ，ＳｏＣ），现场可编程门阵列（ＦＰＧＡ）所 扮演的角色越来越不容忽视。目前，ＰＦＧＡ已跃居成为电 子应用（包括通信、自动控制、计算机等）领域广受欢迎的 实用化技术，成为数字系统的科研实验、样机试制、小批量 产品实现的最佳途径 Ｊ。 针对室内空气质量问题，本文基于现场可编程门阵列 （ｆｉｅｌｄ ｐｒｏｒａｍｍａｂｌｇｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ，ＦＰＧＡ）开发平台，采用数字 收稿日期：２０１６－０３－０５ 基于ＦＰＧＡ的无线智能室内空气检测与调节系统结构 如图ｌ所示。 ｌ ｌＨ回 Ｌ¨ＦＰＧＡ …～…塑 塑…… 图１系统结构框图 Ｆｉｇ １ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ 传感器数据采集模块包含温度传感器、烟雾传感器等， 第ｌ２期 王嫒媛，等：ＦＰＧＡ的室内空气质量检测与调节系统 １４１ 其将采集到的温度以及ＣＯ，ＣＯ ，ＰＭ２．５等数据信息传送 给ＦＰＧＡ主控单元，ＦＰＧＡ将获得的数据进行处理，送ＬＣＤ 液晶模块进行显示，同时通过蓝牙无线传输将信息发送给 手机，用户可根据手机显示信息，通过手机界面控件对调节 机构发出调节命令，执行机构将完成比如电风扇的开关、风 （ａ）上位机操作界面 速控制、室内室外空气交换等操作。 ２电路模块设计 计十・、‘…＾， 抽＿－ 、 － ●讨 ・’， Ｉ …’－ ’Ｊ ’ｐ・ｈ、Ｔｉ Ｈ— －、 ●时十＾ ＾・ ＿ 。 ● 一’ｒ， ’＾ Ｐ’ ２．１数据采集模块 耐 ’ｊ 帅“－ 计ｃ ，“＿柚 帏 ～ 耐 ・ …、 一＿＿ ＇ｒ， Ｉ＾¨、 Ｒ 数据采集模块的主要功能就是利用传感器获得各类室 （ｂ）下位机状态返川界面 内空气质量信息数据，比如温度以及ＣＯ，ＣＯ ，ＰＭ２．５等， 图２上位机操作界面和下位机状态返回界面 然后将数据传送给ＦＰＧＡ主控器进行处理。本系统中使用 Ｆｉｇ ２ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｏｆ ｕｐｐｅｒ ＰＣ ａｎｄ ｓｔａｔｅ－ｒｅｔｕｒｎ ｉｎｔｅｒｆａｅｅ ｏｆ ｌｏｗｅｒ ＰＣ 到的传感器有：温度传感器、烟雾传感器、ＰＭ２．５检测传感 感器获得的数据进行转换处理，室内空气质量信息的字符 器。其中温度传感器采用的是１线器件ＤＳ１８Ｂ２０－数字温 转换与显示，步进电机驱动程序设计等功能。 度传感器，它可以提供９－１２位的数据来表示不同的温度， ２．４．１蓝牙数据处理模块 位数越高，测量温度的精度越高，且具有体积小，适用电压 该模块是ＦＰＧＡ与上位机通信的桥梁，采用状态机进 宽、经济等特点 。 行设计，其接收模块状态转换过程如图３所示。 ２．２通信模块 通信采用ＨＣ－０６从机蓝牙模块，主要用于短距离的数 发送 据无线传输领域，可以方便的和Ｐｃ机或带蓝牙功能的设 备相连，也可以两个模块之间进行数据互通。避免繁琐的 线缆连接，能直接替代串口线，配对后只需当成固定波特率 图３蓝牙接收状态机 的串口一样使用即可。系统采用该蓝牙模块实现了手机终 Ｆｉｇ ３ Ｓｔａｔｅ ｍａｃｈｉｎｅ ｏｆ Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ 端和ＦＰＧＡ之间的通讯。 蓝牙模块和ＦＰＧＡ通信采用串口方式，当没有数据采 ２．３上位机界面设计 集和发送时，状态机处于空闲（ｉｄｌｅ）状态，当ＲＸＤ接收信 基于智能手机的广泛使用，及携带方便、实时性好等特 号引脚接收到低电平时，状态机转换至ａｄｊｕｓｔ状态并判断 点，系统上位机采用手机ＡＰＰ界面，作为用户监测室内空 此信号是属于干扰信号还是起始位，如果是起始位，则状态 气质量、进行相应调节的操作平台。主要完成与下位机通 进入接收（ｒｅｃｅｉｖｅ）状态，否则转回ｉｄｌｅ状态等待；当进人 信并将通信得到的如系统工作模式、风扇当前的档位、当前 ｒｅｃｅｉｖｅ状态时，处理完一帧数据后将其并行输｝ｌＪ，同时转至 室内温度等信息进行显示，以及用户可根据显示信息，通过 发送（ｔｒａｎｓ）状态，将数据发送给上位机，并转入ｉｄｌｅ状态， 手机界面按键完成相应的调节，如根据温度信息进行风扇 等待下一次传送。 转速的调节，根据室内空气质量信息，控制滤网开合，实现 ２．４．２步进电机驱动模块 向室内送风或往外排风等。上位机操作界面如图２（ａ）所 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应角化移或 示，具体按键功能如下：‘１’，‘３’，‘０’为保留按键，‘２’风 线位移的电动机，它的运行需要专门的驱动电源，驱动电源 扇转速加，‘４’，‘５’风扇转向设定，‘５’风扇工作模式切换， 的输出受外部的脉冲信号控制。每一个脉冲信号可使步进 ‘７’，‘９’Ｎ／减定时时间，‘８’风扇转速减。下位机状态返 电机旋转一个固定的角度，这个角度称为步距角，本设计中 回界面如图２（ｂ）所示，返回的数据是ＡＳＣＬＩ 量，表示当前 将步距角设置为４５。。脉冲的数量决定ｌｒ旋转的总角度， 室内温度、风扇工作模式、档位等，上位机显示字符量，以保 脉冲的频率决定了电动机旋转的速度，改变绕组的通电顺 证通信内容的可靠性。 序可以改变电机旋转的方向 。 ２．４ ＦＰＧＡ数据处理模块设计 ．， 系统通过对步进电机转向的控制来驱动风扇、滤网等 ＦＰＧＡ数据处理模块是控制系统的主控器一核心单 调节机构完成室内外空气交换处理，实现改善室内空气质 元，属于系统软件部分，采用模块化设计思想及ＶＨＤＬ硬件 量的目的，步进电机的驱动电路采用ＶＨＤＬ进行设计，该电 描述语言，实现了算法及数据处理。主要包括室内空气质 路模块端口设汁为：一个系统时钟（ｅｌｋ）输人信号；两个按 量信息采集处理模块、蓝牙数据处理模块、计时显示模块、 键输入分别为ｋｅｙｌ和ｋｅｙ２，实现脉冲个数的增减以控制电 步进电机驱动模块、按键消抖模块等。实现了对从各类传 机的转向；４路输出驱动信号（８，ｂ，ｅ和ｄ），分别驱动步进 １４２ 电机的４个线圈Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ。 ２．５ 电机控制模块设计 ２．５．１电机控制模块原理 传感器与微系统 第３５卷 符，是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶 模块。由若干个５×７或者５×１１等点阵字符位组成，每个 点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的 电机控制原理如图４所示，光电开关将轴流风机的实 间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作 用。主程序采用状态机形式编写，采用计数进行延时，并且 时转速反馈给ＦＰＧＡ控制器，ＦＰＧＡ内部将实现以下功能： １）将实时转速送ＬＣＤ进行显示；２）输入的设定值与反馈信 号进行比较；３）对速度偏差进行比例积分微分（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｉｏｎ，ｌｉＤ）调节，校正步进电机驱动脉 省略了忙状态的读取，直接用延时来代替忙检测，将送进来 的数据进行动态显示。 ３系统调试与验证 系统在实验室条件下，基于ＦＰＧＡ开发平台（主芯片： 冲，使电机以给定转速稳定运转。 图４电机控制系统结构图 Ｆｉｇ ４ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｍｏｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ２．５．２ ＰＩＤ控制算法设计 ＰＩＤ调节器是一种线性调节器，它将给定值与实际值 偏差的比例、积分、微分三者通过线性组合构成控制量，对 被控对象进行控制，是控制系统中应用最为广泛的一种控 制规律，控制原理如图５所示。 ｃ（ｓ） 图５ ＰＩｐ控制原理 Ｆｉｇ ５ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ ＰＩＤ算法是将描述连续过程的微分方程转换为差分方 程，然后根据差分方程编写程序进行控制计算。ＰＩＤ算法 表达式为： 第ｋ时刻的输出量 ｋ ｕ（ ）＝ ｅ（ ）十 ∑ｅ（ ）＋ 。［ｅ（ ）一ｅ（ 一１）］（１） ，＝ｏ 第ｋ－１时刻的输出量 ｋ—ｌ ｕ（ｋ—１）＝ｋｏｅ，（ｋ—１）＋ ∑ｅ（ ）＋ ｄ［ｅ＜ 一１）一 Ｊ Ｕ ｅ（ｋ－２）］ （２） 第ｋ时刻输出增量为 Ａｕ（ｋ）＝ 。Ａｅ（ ）＋ Ｉｅ（ｋ）＋ ［Ａｅ（ｋ）－－Ａｅ（ｋ－１）］ （３） 式中ｋ。为比例系数； 为积分系数； 为微分系数。 输出控制量的增量Ａｕ（ｋ）与系统采样周期以及ｋ。，ｋ ， ｋ 有关 ，设计采用硬件描述语言ＶＨＤＬ实现了式（３）增 量式ＰＩＤ算法，然后根据电机实际运行情况，进行参数整 定，得到最佳取值。 ２．６液晶显示模块 显示模块用于显示传感器采集到的温度等信息，选用 了１６０２液晶显示屏，它能够同时显示１６×０２即３２个字 ＥＰ４ＣＥ６Ｆ１７Ｃ８Ｎ），选用了轴流风机及步进电机，搭建了相 应的外围电路，完成了软硬件联合调试验证，验证结果表 明，系统能够实现以下功能：１）实现了对室内空气温度、 ＰＭ２．５等数据的采集与显示；２）实现了手动及自动对风扇 的开启、转速的实时显示与调节；３）实现了对步进电机转 向的控制；４）实现了通过手机对室内空气质量进行实时监 测与远程操控。 ４结束语 本文基于ＦＰＧＡ开发平台，结合数字传感技术及蓝牙 通信技术，设计了无线智能空气质量检测与调节系统，实现 了对室内温度等质量信息的采集、显示、通信、上位机远程 调节处理等。系统具有可靠性高、移植性好、智能化、网络 化等特点，保证了室内空气质量监测的实时性，对保护人们 的健康和安全有着现实意义。本系统除可以应用于智能家 居外，还可以用于办公场所、蔬菜种植大棚、化工生产车间 等需要对空气质量进行评价的场所。 参考文献： ［１］李萍．基于ＡＲＭ的室内空气质量监测系统的设计［Ｄ］．成 都：西南交通大学，２０１０． ［２］ 郭威彤，宋海声，杨鸿武，等．一种便携式室内空气质量快速 检测仪设计［Ｊ］．传感器与微系统，２０１５，３４（４）：９２－－９４． ［３］陆重阳，卢东华．ＦＰＧＡ技术及其发展趋势［Ｊ］．微电子技术， ２Ｏｏ３，３１（１）：５—７． ［４］陈欣波．Ａｌｔｅｒａ ＦＰＧＡ工程师成长手册［Ｍ］．北京：清华大学 出版社，２０１２：２８－１０５． ［５］范奥博，铁治欣，吴铭程，等．室内空气质量监测系统的设 计［Ｊ］．浙江理工大学学报：自然科学版，２０ｔ５，３３（３）：３８２— ３８７。 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