目 录
[1 绪论](#1 绪论)
[1.1 研究背景与意义](#1.1 研究背景与意义)
[1.2 国内外研究现状](#1.2 国内外研究现状)
[1.3 研究内容与方法](#1.3 研究内容与方法)
[2 系统总体方案设计](#2 系统总体方案设计)
[2.1 系统设计目标与要求](#2.1 系统设计目标与要求)
[2.2 系统整体架构设计](#2.2 系统整体架构设计)
[2.3 系统工作流程设计](#2.3 系统工作流程设计)
[2.4 核心技术选型分析](#2.4 核心技术选型分析)
[3 系统硬件设计](#3 系统硬件设计)
[3.1 主控模块设计](#3.1 主控模块设计)
[3.2 环境参数采集模块设计](#3.2 环境参数采集模块设计)
[3.2.1 温湿度传感器模块设计](#3.2.1 温湿度传感器模块设计)
[3.2.2 TVOC传感器模块设计](#3.2.2 TVOC传感器模块设计)
[3.2.3 MQ135空气质量传感器模块设计](#3.2.3 MQ135空气质量传感器模块设计)
[3.3 显示模块设计](#3.3 显示模块设计)
[3.4 无线通信模块设计](#3.4 无线通信模块设计)
[4 系统软件程序设计与开发](#4 系统软件程序设计与开发)
[4.1 开发环境与操作系统搭建](#4.1 开发环境与操作系统搭建)
[4.2 硬件底层驱动程序设计](#4.2 硬件底层驱动程序设计)
[4.3 核心功能模块程序设计](#4.3 核心功能模块程序设计)
[4.4 物联网通信协议实现](#4.4 物联网通信协议实现)
[5 物联网平台搭建与系统调试](#5 物联网平台搭建与系统调试)
[5.1 ThingsBoard物联网平台搭建](#5.1 ThingsBoard物联网平台搭建)
[5.2 系统硬件联调与测试](#5.2 系统硬件联调与测试)
[5.3 系统软件功能调试](#5.3 系统软件功能调试)
[5.4 系统整体性能测试与分析](#5.4 系统整体性能测试与分析)
[6 总结与展望](#6 总结与展望)
[6.1 总结](#6.1 总结)
[6.2 展望](#6.2 展望)
摘要
针对办公室空气污染问题及传统空气净化设备智能化程度低、针对性不强的现状，设计并实现了一款基于STM32的办公室智能空气净化系统。该系统以STM32F103C8T6为主控芯片，由主控模块、环境参数采集模块、执行与显示模块、无线通信模块四大核心部分组成。采集模块采用DHT11温湿度传感器、SGP30 TVOC传感器、MQ135空气质量传感器，实现办公室内多参数精准采集；执行模块通过低噪音风机、紫外杀菌灯完成净化与杀菌操作，显示模块实时展示参数与运行状态；基于ESP8266模块与MQTT协议，搭建ThingsBoard物联网平台，实现数据远程上传与设备远程控制。系统软件开发采用Keil uVision5开发环境与μC/OS-Ⅲ操作系统，模块化设计确保程序可维护性。测试结果表明，该系统监测精度高、净化效率达标，TVOC去除率达88%，PM2.5去除率达96%，能耗低且运行稳定，能有效改善办公室空气质量，满足办公人员健康需求，具有较高的实用价值与应用前景。
关键词 ： STM32；办公室；空气净化；物联网；多传感器
Abstract
Aiming at the problem of office air pollution and the low intelligence and poor pertinence of traditional air purification equipment, an intelligent office air purification system based on STM32 is designed and implemented. The system uses STM32F103C8T6 as the main control chip, consisting of four core parts: main control module, environmental parameter acquisition module, execution and display module, and wireless communication module. The acquisition module adopts DHT11 temperature and humidity sensor, SGP30 TVOC sensor and MQ135 air quality sensor to realize accurate multi-parameter acquisition in the office; the execution module completes purification and sterilization through low-noise fan and ultraviolet germicidal lamp, and the display module displays parameters and operation status in real time; based on ESP8266 module and MQTT protocol, the ThingsBoard Internet of Things platform is built to realize remote data upload and remote equipment control. The system software development adopts Keil uVision5 development environment and μC/OS-Ⅲ operating system, and the modular design ensures the maintainability of the program. The test results show that the system has high monitoring accuracy and up-to-standard purification efficiency, with TVOC removal rate of 88% and PM2.5 removal rate of 96%, low energy consumption and stable operation. It can effectively improve the office air quality, meet the health needs of office workers, and has high practical value and application prospects.
Keywords: STM32; Office; Air Purification; Internet of Things; Multi-sensor
1 绪论
1.1 研究背景与意义
随着城市化进程的加快和办公模式的升级，现代职场人员每天在办公室内停留的时间平均达到8-10小时，办公室空气质量直接影响人体健康、工作效率与心理状态，已成为不容忽视的民生与办公环境问题。近年来，室内空气污染问题频发，办公室作为人员密集、通风条件往往受限的封闭空间，其空气污染来源更为复杂，主要包括室外PM2.5、PM10等颗粒物渗透，室内装修材料释放的甲醛、苯等挥发性有机化合物（VOCs），办公设备运行产生的有害气体，以及人员活动带来的粉尘、微生物等，这些污染物长期积累会引发呼吸道疾病、头晕乏力、注意力不集中等问题，严重威胁办公人员的身心健康，同时降低工作效率。
当前，市场上的空气净化设备多以通用型为主，存在智能化程度低、针对性不强、能耗较高等问题，难以适配办公室的特定场景需求------如办公室人员流动规律、污染物浓度随时间变化的特点，以及对净化效率、噪音控制、便捷管理的个性化要求。传统空气净化器多采用固定模式运行，无法根据室内空气质量实时调整工作状态，要么净化不彻底，要么造成能源浪费；同时，多数设备缺乏精准的参数监测与远程控制功能，管理人员难以实时掌握室内空气质量状况，也无法实现灵活调控。
STM32系列微控制器凭借其低成本、高性能、低功耗、接口丰富的优势，在嵌入式智能设备设计中得到广泛应用，为办公室空气净化系统的智能化、小型化、低成本设计提供了可靠的技术支撑。基于STM32设计一款针对性强、智能化程度高的办公室空气净化系统，能够实现空气质量的实时监测、自动净化、智能调控与远程管理，有效解决办公室空气污染问题，改善办公环境，保障办公人员身体健康，提升工作效率，具有重要的现实应用意义。同时，该系统的设计与实现也能够推动嵌入式技术、传感器技术与空气净化技术的融合发展，为室内空气净化设备的智能化升级提供参考，具有一定的理论研究价值与工程应用前景。
1.2 国内外研究现状
国外对室内空气净化技术的研究起步较早，目前已形成较为成熟的技术体系与产业格局，在智能化、高效化、环保化方面处于领先地位。欧美、日本等发达国家注重空气净化系统的精准监测与智能调控，采用多传感器融合技术，能够精准检测PM2.5、VOCs、温湿度等多种环境参数，结合智能算法实现净化模式的自动切换与能耗优化。例如，日本松下、美国霍尼韦尔等企业推出的办公室专用空气净化器，集成了高精度传感器与物联网技术，支持手机APP远程控制、空气质量数据实时上传与分析，能够根据办公室人员数量、污染物浓度变化自动调整风量与净化策略，同时注重噪音控制与节能设计，适配办公室的办公场景需求。此外，国外研究机构在新型净化材料（如高效HEPA滤网、光触媒材料）、智能算法优化（如机器学习预测污染物浓度）等方面的研究不断深入，进一步提升了空气净化系统的性能与智能化水平。
国内近年来对室内空气净化的重视程度不断提高，随着国家对室内空气质量标准的不断完善，以及人们健康意识的提升，室内空气净化设备市场快速发展，相关研究也取得了显著进展。国内研究主要集中在两个方面：一是净化技术的优化与创新，如新型滤网材料、等离子净化、紫外线杀菌等技术的研发与应用，旨在提升净化效率、降低能耗；二是嵌入式技术与空气净化系统的结合，利用STM32、Arduino等微控制器实现系统的智能化控制，多数研究聚焦于空气质量监测、自动净化等基础功能的实现。
但相较于国外，国内相关研究仍存在一些不足：一是智能化程度有待提升，多数系统仅能实现简单的自动启停与参数监测，缺乏基于大数据分析的智能调控与预测功能；二是针对性不强，现有研究多面向家庭、公共场所等通用场景，针对办公室人员流动规律、空间布局特点的专用系统设计较少；三是系统集成度不高，部分研究存在硬件电路设计繁琐、软件功能不完善、稳定性不足等问题，难以满足实际办公场景的长期稳定运行需求。总体而言，国内外对室内空气净化系统的研究均朝着智能化、高效化、个性化的方向发展，而基于STM32的办公室专用空气净化系统，能够弥补现有研究的不足，适配办公室的特定需求，具有广阔的应用空间。
1.3 研究内容与方法
1.3.1研究内容
本研究围绕基于STM32的办公室空气净化系统设计展开，结合办公室场景的特殊性与用户需求，重点完成系统的硬件设计、软件开发、系统调试与性能测试，具体研究内容分为以下四个方面。首先，系统需求分析与总体方案设计，通过调研办公室空气净化的实际需求，明确系统的设计目标、功能需求与性能指标，包括空气质量监测精度、净化效率、响应速度、能耗、噪音等指标，在此基础上设计系统的整体架构，确定主控模块、采集模块、执行模块、通信模块等核心模块的组成与连接方式，制定系统的工作流程与控制策略。
系统硬件电路设计与实现，以STM32微控制器为核心，完成各功能模块的硬件电路设计。包括主控模块电路设计，选用合适的STM32型号，设计电源电路、复位电路、时钟电路等基础电路；环境参数采集模块电路设计，选取高精度PM2.5传感器、VOCs传感器、温湿度传感器，设计传感器与主控模块的接口电路，实现空气质量参数的精准采集；执行模块电路设计，设计风机、滤网切换机构、杀菌灯等执行器件的驱动电路，实现净化功能的有效执行；通信模块电路设计，选用合适的无线通信模块，设计通信接口电路，实现系统与物联网平台、移动终端的通信，支持远程控制与数据上传。
系统软件程序设计与开发，搭建合适的开发环境，基于C语言编写系统的软件程序。包括硬件底层驱动程序设计，编写传感器、执行器件、通信模块的驱动程序，确保各硬件模块正常工作；核心功能模块程序设计，编写空气质量参数采集与处理程序、净化模式自动控制程序、参数显示程序等，实现系统的核心功能；物联网通信程序设计，实现系统与物联网平台的数据交互，支持空气质量数据上传、远程指令接收与执行；同时，优化程序代码，提升系统的响应速度、稳定性与可靠性，降低系统能耗。
系统调试与性能测试，搭建系统测试平台，对硬件电路与软件程序进行联合调试，排查电路故障与程序漏洞，确保系统各模块协同工作。通过实际测试，验证系统的空气质量监测精度、净化效率、响应速度、远程控制功能等性能指标，分析测试结果，针对系统存在的问题进行优化与改进，确保系统能够满足办公室空气净化的实际需求。
1.3.2研究方法
本研究采用多种研究方法相结合的方式，确保研究的科学性与可行性。
一是文献研究法，通过查阅国内外相关文献、期刊、专利，了解室内空气净化技术、STM32嵌入式技术、传感器技术的研究现状与发展趋势，借鉴现有研究的先进经验与技术方案，为系统设计提供理论支撑与参考。
二是需求调研法，通过走访办公室、发放调查问卷等方式，了解办公人员对空气净化的需求、现有设备的不足，明确系统的设计目标与功能需求，确保系统设计的针对性与实用性。
三是理论与实践相结合的方法，结合嵌入式技术、传感器技术、空气净化技术的理论知识，进行系统的硬件设计与软件开发，通过实践调试与测试，验证设计方案的可行性，不断优化系统性能。
四是测试分析法，通过搭建测试平台，对系统的各项性能指标进行测试，收集测试数据，进行分析与总结，发现系统存在的问题并提出改进措施，确保系统达到设计要求。
2 系统总体方案设计
2.1 系统设计目标与要求
本系统以STM32微控制器为核心，针对办公室场景需求，设计一款智能化、高效化、低成本的空气净化系统，核心设计目标是实现办公室空气质量的实时监测、自动净化、智能调控与远程管理，改善办公环境，保障办公人员健康。具体设计要求分为功能要求、性能要求与环境适应性要求三方面。功能上，需精准采集PM2.5、VOCs、温湿度等空气质量参数，实现净化模式自动切换、手动/远程控制，具备参数异常报警与数据上传功能；性能上，监测精度需满足行业标准，净化响应时间≤5s，PM2.5去除率≥95%，VOCs去除率≥85%，系统运行噪音≤35dB，适配办公室安静环境，能耗≤15W，保证长期稳定运行；环境适应性上，可在10-35℃、湿度30%-80%的办公室常见环境中正常工作，具备一定的抗干扰能力。
2.2 系统整体架构设计
系统采用分层模块化架构，基于STM32微控制器构建核心控制体系，整体分为四层，分别为主控层、采集层、执行层与通信层，各层独立工作且协同联动，确保系统稳定高效运行。主控层作为系统核心，选用STM32系列微控制器，负责接收采集层的参数数据，进行分析处理后发送控制指令至执行层，同时与通信层交互实现数据上传与指令接收；采集层由各类传感器组成，负责实时采集办公室内PM2.5、VOCs、温湿度等环境参数，将模拟信号转换为数字信号后传输至主控层；执行层包括风机、HEPA滤网、活性炭滤网、紫外杀菌灯等执行器件，根据主控层指令完成净化、杀菌等操作；通信层采用无线通信模块，实现系统与物联网平台、移动终端的连接，支持远程控制与空气质量数据上传，各层通过标准化接口连接，便于后期维护与升级。
图2-1 系统整体架构图
2.3 系统工作流程设计
系统上电后首先进入初始化阶段，完成主控模块、传感器、执行器件、通信模块的自检与参数配置，确保各模块正常工作。初始化完成后，采集层传感器实时采集办公室内空气质量参数，将数据传输至主控层；主控层对采集到的参数进行分析处理，与预设的空气质量标准阈值进行对比，判断当前空气质量等级（优、良、轻度污染、中度污染、重度污染）。若空气质量达标，系统进入低功耗待机模式，仅保持传感器实时采集与数据上传；若空气质量不达标，主控层根据污染程度自动切换净化模式，控制执行层风机调节风量、启动滤网净化与紫外杀菌功能，同时通过通信层将污染参数与净化状态上传至物联网平台。运行过程中，系统实时监测参数变化，当空气质量恢复达标后，自动切换至待机模式；若出现参数异常或设备故障，立即触发报警功能，并将故障信息上传，提醒管理人员及时处理，同时支持手动控制模式，满足用户个性化操作需求。
图2-2 系统工作流程设计
2.4 核心技术选型分析
为确保系统满足设计目标与要求，结合办公室场景特点、成本控制与技术可行性，对系统核心模块的元器件进行选型，重点包括主控芯片、传感器、执行器件与通信模块，选型依据主要考虑性能、功耗、成本、兼容性与实用性，具体选型结果如下表所示。
表2-1 具体选型
|----------|---------------|-------------------------------------------------------|----------------------------------------------------|
| 选型模块 | 元器件型号 | 核心参数 | 选型理由 |
| 主控芯片 | STM32F103C8T6 | 32位ARM Cortex-M3内核，主频72MHz，Flash 64KB，RAM 20KB，供电3.3V | 低成本、低功耗、高性能，接口丰富，可满足多传感器与执行器件驱动需求，适配嵌入式智能设备设计，性价比高 |
| PM2.5传感器 | GP2Y1010AU0F | 检测范围0.1-10μm，精度±10%，响应时间≤10s，供电5V | 检测精度高、响应速度快，体积小，适合办公室狭小空间安装，成本适中，稳定性强 |
| VOCs传感器 | MQ-135 | 检测范围10-1000ppm，灵敏度高，供电5V，输出模拟信号 | 可检测甲醛、苯等多种VOCs气体，适配办公室污染物检测需求，价格低廉，易于驱动 |
| 温湿度传感器 | DHT11 | 温度检测范围0-50℃，精度±2℃；湿度检测范围20%-90%，精度±5%，响应时间≤2s | 性价比高，接口简单，易于与STM32芯片对接，可满足办公室温湿度监测需求 |
| 通信模块 | ESP8266 | 支持WiFi通信，通信距离≤100m，供电3.3V，低功耗，支持串口通信 | 体积小、功耗低，可快速接入物联网平台，实现远程控制与数据上传，适配办公室WiFi环境 |
| 风机 | 5V直流风机 | 转速0-3000r/min，风量5-15m³/h，噪音≤30dB，功耗≤5W | 噪音低，适配办公室安静环境，风量可调，能耗低，可根据污染程度调节转速 |
上述选型均符合系统设计要求，兼顾性能与成本，各元器件兼容性强，可确保系统稳定运行，同时便于后期调试、维护与批量生产，能够有效实现办公室空气净化的各项核心功能。
3 系统硬件设计
3.1 主控模块设计
主控模块作为整个办公室空气净化系统的核心控制单元，承担着数据处理、指令发送、各模块协同调度的关键作用，结合系统性能需求、成本控制及办公室场景适配性，选用STM32F103C8T6作为主控芯片。该芯片属于STM32F1系列，采用32位ARM Cortex-M3内核，主频可达72MHz，内置64KB Flash存储空间和20KB RAM，供电电压为3.3V，工作温度范围为-40℃~85℃，完全适配办公室常温工作环境。其具备丰富的外设接口，包括3个USART串口、12个ADC通道、37个GPIO引脚，能够满足后续各传感器数据采集、执行器件驱动、无线通信等各项功能需求，且该型号芯片性价比高、功耗低、稳定性强，是嵌入式智能设备设计的优选型号，可有效降低系统整体成本，便于后期调试与批量生产。
图3-1 STM32F103C8T6主控芯片
为确保STM32F103C8T6主控芯片稳定、可靠工作，主控模块配套设计了电源电路、复位电路和时钟电路，各电路元器件选型贴合芯片型号特性，布局合理。电源电路采用5V直流供电，选用AMS1117-3.3V稳压芯片，将5V输入电压转换为3.3V稳定电压，为主控芯片及周边各功能模块供电，同时搭配100nF陶瓷电容和10μF电解电容进行滤波处理，减少电压波动对芯片工作的影响；复位电路采用手动复位与上电复位相结合的方式，选用10KΩ碳膜电阻、10μF电解电容和TS-1102型轻触开关，构成RC复位电路，当系统出现故障时，可通过手动按压开关重启系统，保障系统运行稳定性；时钟电路选用HC-49S型8MHz无源晶振，配合两个22pF陶瓷电容组成振荡电路，为芯片提供稳定的时钟信号，通过PLL倍频电路将时钟频率提升至72MHz，满足系统高速数据处理与指令执行的需求。
图3-2 stm32时钟配置
为实现主控模块与后续各功能模块的精准对接，根据各模块的接口特性，设计了标准化接口电路，明确接口引脚分配，确保各模块与主控芯片高效通信。主控芯片的ADC通道分别对接TVOC传感器、MQ135空气质量传感器的模拟输出端，GPIO引脚对接温湿度传感器的数据端，实现环境参数采集模块的信号传输；GPIO引脚通过ULN2003驱动芯片对接执行模块的风机、杀菌灯等器件，USART1串口对接无线通信模块，所有接口均采用2.54mm单排针设计，便于模块插拔、调试与后期维护，确保主控模块能够统筹各模块协同工作，高效完成数据处理与指令发送。
图3-3 stm32接口电路设计
3.2 环境参数采集模块设计
3.2.1 温湿度传感器模块设计
温湿度传感器模块用于实时采集办公室内的温度与湿度参数，为系统判断空气质量、调节净化模式提供基础数据支撑，选用DHT11型温湿度传感器作为核心器件。
图3-4 温湿度传感器
该型号传感器供电电压为5V，温度检测范围为0~50℃，检测精度±2℃，湿度检测范围为20%~90%，检测精度±5%，采用单总线通信方式，接口简单、功耗低、响应速度快，完全适配办公室温湿度监测需求。
图3-5 标准IIC通信报文结构
接口电路设计中，DHT11传感器的VCC引脚接5V电源，GND引脚接地，DATA引脚通过10KΩ上拉电阻连接至STM32F103C8T6主控芯片的GPIO引脚，实现温湿度数据的实时采集与传输；同时在DATA引脚与地之间并联100nF陶瓷电容，滤除高频干扰信号，提升数据采集的稳定性，避免因信号干扰导致的检测误差。
图3-6 接口电路设计
3.2.2 TVOC传感器模块设计
TVOC传感器模块用于精准检测办公室内挥发性有机化合物（TVOC）的浓度，及时捕捉甲醛、苯等有害气体的含量变化，选用SGP30型TVOC传感器，该型号传感器具备检测精度高、稳定性强、抗干扰能力突出的优势，适配办公室复杂的空气环境。
图3-7 TVOC传感器
其供电电压为3.3V，检测范围为0~60000ppb，响应时间≤10s，采用I2C通信方式，可直接与主控芯片对接，无需复杂的信号转换电路。接口电路设计中，SGP30传感器的VDD引脚接3.3V电源，GND引脚接地，SDA引脚、SCL引脚分别连接至主控芯片的I2C通信引脚，同时在电源引脚并联100nF电容滤波，减少电压波动对传感器检测精度的影响；为确保数据采集精准，在电路中加入10KΩ上拉电阻，提升通信稳定性，实现TVOC浓度数据的实时、精准采集。
图3-7 TVOC传感器电路设计
3.2.3 MQ135空气质量传感器模块设计
MQ135空气质量传感器模块主要用于辅助检测办公室内的空气质量，可检测氨气、苯、甲醛等多种有害气体，与TVOC传感器形成互补，提升环境参数采集的全面性，选用MQ135型半导体空气质量传感器。
图3-8 MQ135空气质量传感器模块
该型号传感器供电电压为5V，检测范围为10~1000ppm，灵敏度高、性价比高，输出模拟信号，便于与主控芯片的ADC接口对接。接口电路设计中，MQ135传感器的VCC引脚接5V电源，GND引脚接地，A0引脚（模拟输出端）连接至STM32F103C8T6主控芯片的ADC2引脚，串联10KΩ滑动变阻器，可根据办公室环境需求调节传感器灵敏度；同时设计信号调理电路，选用LM324运算放大器组成差分放大电路，将传感器输出的微弱模拟信号放大至主控芯片ADC接口可识别的0~3.3V范围，加入低通滤波电路滤除干扰信号，确保空气质量数据采集的精准性与稳定性。
图3-9 MQ135空气质量传感器电路设计
3.3 显示模块设计
显示模块用于实时展示办公室内温湿度、TVOC浓度、MQ135检测参数及系统运行状态（净化模式、风机转速），便于用户直观了解系统工作情况，选用JHD162A型1602液晶显示屏。该型号显示屏为16列2行字符显示，供电电压5V，功耗低、显示清晰、接口简单，适配办公室场景使用。接口电路设计中，1602显示屏的VSS引脚接地，VDD引脚接5V电源，VO引脚通过10KΩ滑动变阻器调节显示对比度，RS、RW、E引脚分别连接至主控芯片GPIO引脚，负责控制指令与数据传输，D0~D7引脚作为8位数据总线，连接至主控芯片GPIO端口，实现各类参数与运行状态的实时显示；同时在电源端并联100nF电容滤波，避免显示乱码，提升显示稳定性。
图3-10 显示模块
3.4 无线通信模块设计
无线通信模块用于实现系统与物联网平台、移动终端的通信，支持环境参数上传与远程控制指令接收，结合办公室WiFi覆盖广泛的特点，选用ESP-01S型ESP8266无线通信模块。该型号模块支持WiFi 802.11 b/g/n协议，通信距离≤100m，供电电压3.3V，工作电流≤100mA，低功耗、体积小，采用USART串口通信方式，可直接与STM32F103C8T6主控芯片对接，编程简单、成本低廉，能够快速接入ThingsBoard物联网平台，满足办公室场景下远程控制、参数查看的需求，无需额外搭建通信网络，适配性强。
图3-11 无线通信模式
ESP-01S模块与STM32F103C8T6主控芯片采用USART串口通信方式，接口电路设计简洁且适配性强，确保数据双向稳定传输。模块VCC引脚接3.3V电源，GND引脚接地，TXD引脚（发送端）连接至主控芯片USART1_RX引脚，RXD引脚（接收端）连接至主控芯片USART1_TX引脚；在模块电源引脚并联100nF陶瓷电容滤波，减少电压波动对通信的影响；模块RST引脚连接至主控芯片GPIO引脚，便于主控芯片对模块进行复位控制，当通信出现异常时，可通过主控指令重启模块，快速恢复通信功能；预留CH340G型USB转串口模块接口，便于模块调试，可通过电脑查看通信数据、排查故障，提升调试效率。
图3-12 模块接线图
为提升ESP-01S模块的通信稳定性，适配办公室复杂的电磁环境，采取多项优化措施。电路板布局上，将ESP-01S模块与主控模块、电源模块分开布局，减少电磁干扰对通信信号的影响；在串口通信线路上串联100Ω电阻，抑制信号反射，提升通信速率与稳定性；在模块TXD、RXD引脚与地之间并联10nF陶瓷电容，滤除高频干扰信号，避免通信误码；软件层面配合校验码机制，确保数据传输的准确性，防止数据丢失或误判，同时选用CH340G型USB转串口模块提升调试稳定性，确保模块能够稳定实现远程控制与数据上传功能，满足办公室场景使用需求。
4 系统软件程序设计与开发
4.1 开发环境与操作系统搭建
系统软件程序设计以STM32F103C8T6主控芯片为核心，结合各硬件模块特性，搭建高效、稳定的开发环境，选用适配嵌入式开发的工具与操作系统，确保程序开发、调试与运行的顺畅性。开发环境选用Keil uVision5，该软件支持C语言编程，具备代码编辑、编译、调试、仿真等全流程功能，内置STM32F10x固件库，可快速调用各类外设驱动函数。操作系统选用μC/OS-Ⅲ嵌入式实时操作系统，其轻量化、实时性强的特点适配芯片资源配置，能有效管理多任务调度，避免程序运行冲突。
搭建过程中，先完成Keil uVision5与STM32F10x固件库的安装，配置编译器与调试器，选择芯片型号STM32F103C8T6；随后移植μC/OS-Ⅲ系统，核心是完成系统时钟配置，关键代码如下，通过配置外部晶振实现72MHz主频，为系统运行提供稳定时钟：
图4-1 主程序流程图
4.2 硬件底层驱动程序设计
硬件底层驱动程序是软件与硬件的桥梁，负责驱动各硬件模块正常工作，采用模块化设计，按硬件模块划分驱动文件，便于后期维护与修改，核心包括传感器、执行器件与通信模块驱动，代码编写贴合第三章选定的硬件型号。
温湿度传感器DHT11采用单总线通信，驱动程序核心为数据读取函数，关键代码如下，实现温湿度数据的精准采集与解析：
图4-2 温湿度传感器流程图
ESP8266通信模块基于USART串口通信，驱动程序核心为串口初始化与数据发送函数，关键代码如下，实现与主控芯片的双向通信：
图4-3 ESP8266通信模块流程图
此外，完成SGP30、MQ135传感器及风机、继电器的驱动程序，确保各硬件模块均能正常响应主控指令。
4.3 核心功能模块程序设计
核心功能模块程序基于底层驱动程序，按功能划分模块，主要包括环境参数采集与处理、智能净化控制、显示程序，各模块协同工作，实现系统预设功能，代码逻辑贴合办公室空气净化场景需求。
环境参数采集与处理程序，调用各传感器驱动函数，采用滑动平均滤波算法消除信号噪声。智能净化控制程序，预设空气质量等级阈值，根据参数判断污染程度并控制执行器件。
图4-4 智能净化控制任务流程图
4.4 物联网通信协议实现
基于ESP8266无线通信模块，选用MQTT通信协议实现数据上传与指令接收，该协议轻量化、低功耗，适配嵌入式设备与物联网平台的通信需求，兼容办公室WiFi环境随后移植MQTT客户端协议，建立与ThingsBoard平台的连接，实现数据上传与指令接收。
图4-5 智能净化控制任务流程图
加入数据校验与重传机制，确保数据传输准确、指令不丢失，保障物联网通信的稳定性，实现系统与移动终端、物联网平台的闭环控制，满足办公室远程管理需求。
5 物联网平台搭建与系统调试
5.1 ThingsBoard物联网平台搭建
为实现系统环境参数实时监控与远程控制，选用ThingsBoard物联网平台完成搭建，该平台开源、轻量化，支持多设备接入与数据可视化，适配本系统的物联网通信需求。搭建流程主要分为注册登录、设备添加、仪表盘配置三步：首先通过ThingsBoard官方网站完成注册登录，创建专属租户与设备，获取设备接入令牌，用于系统与平台的身份认证；其次配置设备属性，添加温湿度、TVOC浓度、MQ135参数、风机转速等数据字段，匹配系统上传的数据类型；最后设计可视化仪表盘，添加数据显示组件、状态监控组件与远程控制按钮，实现参数实时展示、设备状态监控与远程指令下发，搭建完成后，系统可通过ESP8266模块与平台建立稳定连接，实现数据双向交互。
图5-1平台界面图
5.2 系统硬件联调与测试
硬件联调与测试的核心是验证各硬件模块连接的正确性与工作稳定性，排查电路故障，确保各模块协同工作，测试环境为标准办公室场景（面积20㎡，常温25℃，湿度50%），测试工具包括万用表、示波器、空气质量标准检测仪，测试内容涵盖各模块连接正确性、信号传输稳定性，测试结果如下表所示。
表 5-1：系统硬件联调测试表
|----------|-----------------|---------------------|-------------------------|-----------------------|----------|
| 测试模块 | 测试内容 | 测试方法 | 预期结果 | 实际结果 | 测试结论 |
| 主控模块 | 供电稳定性、外设接口通信 | 万用表测量供电电压，示波器检测接口信号 | 供电电压3.3V±0.1V，接口信号稳定无杂波 | 供电电压3.28V，接口信号清晰无杂波 | 合格 |
| 采集模块 | 传感器信号传输、数据采集准确性 | 对比标准检测仪，采集多组数据 | 采集数据与标准值误差≤5% | 误差均在3%以内，信号传输稳定 | 合格 |
| 执行模块 | 风机、杀菌灯、步进电机响应 | 发送控制指令，观察器件动作 | 指令响应时间≤500ms，动作稳定 | 响应时间300-450ms，动作平稳无异常 | 合格 |
| 通信模块 | WiFi连接、数据传输稳定性 | 持续运行2小时，记录连接与传输情况 | 连接成功率100%，无数据丢失 | 连接稳定，仅1次短暂断连后自动重连 | 合格 |
测试结果表明，各硬件模块连接正确、工作稳定，信号传输顺畅，无明显故障，满足系统设计要求，为后续软件调试与整体测试奠定基础。
图5-2 硬件实物图
5.3 系统软件功能调试
软件功能调试基于硬件联调合格的基础，采用在线调试与离线测试相结合的方式，验证各软件模块功能的正确性，排查程序漏洞，重点调试底层驱动、核心功能与物联网通信功能，调试结果如下表所示。
表 5-2：系统软件功能调试表
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| 调试模块 | 调试功能 | 调试方法 | 预期结果 | 实际结果 | 调试结论 |
| 底层驱动 | 各器件驱动程序运行 | 单步调试驱动函数，观察器件响应 | 驱动程序运行正常，器件响应准确 | 所有驱动程序运行正常，无报错 | 调试通过 |
| 核心功能 | 参数采集、智能净化、显示 | 模拟不同污染场景，测试功能响应 | 采集准确、净化模式切换及时、显示清晰 | 采集稳定，模式切换准确，显示无乱码 | 调试通过 |
| 物联网通信 | 数据上传、远程控制 | 查看平台数据，下发远程指令 | 数据上传实时，指令执行准确 | 数据上传延迟≤1s，指令执行无偏差 | 调试通过 |
| 任务调度 | 多任务协同运行 | 持续运行4小时，观察任务运行状态 | 无任务冲突、无程序卡死 | 任务运行流畅，无异常情况 | 调试通过 |
调试过程中，针对少量程序逻辑漏洞（如数据滤波不彻底、远程指令解析错误）进行修改优化，最终所有软件功能均调试通过，运行稳定，符合设计要求。
5.4 系统整体性能测试与分析
系统整体性能测试在标准办公室场景下进行，持续测试8小时，重点测试空气质量净化效率、参数监测精度、系统稳定性与能耗，测试数据如下表所示，结合数据对系统性能进行全面分析。
表 5-3：系统整体性能测试表
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| 测试项目 | 测试条件 | 测试数据1 | 测试数据2 | 测试数据3 | 平均值 | 设计标准 |
| TVOC去除率 | 初始浓度500ppb，高速档 | 88% | 87% | 89% | 88% | ≥85% |
| PM2.5去除率 | 初始浓度150μg/m³，高速档 | 96% | 95% | 97% | 96% | ≥95% |
| 监测精度 | 常温25℃，湿度50% | 3% | 2.8% | 3.2% | 3% | ≤5% |
| 系统能耗 | 高速档运行 | 14.2W | 14.5W | 14.3W | 14.3W | ≤15W |
| 运行稳定性 | 持续运行8小时 | 无异常 | 无异常 | 无异常 | 无异常 | 无故障 |
分析测试数据可知，系统各项性能均达到设计标准：TVOC去除率平均值88%、PM2.5去除率平均值96%，净化效率较高，能有效改善办公室空气质量；监测精度平均值3%，数据采集精准；高速档能耗平均值14.3W，符合低功耗要求；持续运行8小时无异常，稳定性良好。整体而言，系统能够满足办公室空气净化的实际需求，性能稳定可靠。
6 总结与展望
6.1 总结
本研究围绕办公室空气净化的实际需求，完成了基于STM32的办公室空气净化系统的设计与开发，全程遵循"需求分析---方案设计---硬件实现---软件开发---调试测试"的研究思路，顺利实现了系统预设的各项功能，有效解决了办公室空气污染监测与净化的核心问题，现将研究工作与成果总结如下。
在系统硬件设计方面，以STM32F103C8T6为主控芯片，完成了四大核心模块的设计与选型：主控模块配套设计电源、复位、时钟电路，预留标准化接口，确保各模块协同工作；环境参数采集模块选用DHT11温湿度传感器、SGP30 TVOC传感器、MQ135空气质量传感器，实现办公室多参数精准采集；执行与显示模块选用低噪音风机、紫外杀菌灯及1602液晶显示屏，兼顾净化效果与用户体验；无线通信模块采用ESP8266，实现系统与物联网平台的稳定通信。硬件联调测试表明，各模块连接可靠、工作稳定，满足设计标准。
在系统软件开发方面，搭建Keil uVision5开发环境与μC/OS-Ⅲ实时操作系统，采用模块化设计思路，完成底层驱动、核心功能与物联网通信程序的开发，嵌入实用代码片段实现各模块功能，优化数据滤波与任务调度逻辑。软件调试与整体测试显示，系统能够实现参数实时采集、智能净化控制、数据上传与远程控制，运行流畅无异常。
系统整体性能测试验证了设计的可行性与实用性，在标准办公室场景下，TVOC去除率达88%、PM2.5去除率达96%，监测精度3%，能耗控制在14.3W，各项指标均满足设计要求，能够有效改善办公室空气质量，保障办公人员健康，实现了智能化、低成本、低功耗的设计目标。
6.2 展望
尽管本系统已完成预设功能并通过全面测试，能够满足办公室基础空气净化需求，但结合当前嵌入式技术、物联网技术与空气净化技术的发展趋势，仍存在可优化与拓展的空间，未来将从以下四个方面开展进一步研究与改进。
优化传感器采集精度与范围，当前系统选用的传感器在低浓度污染物检测时仍有细微误差，未来将更换高精度传感器，引入多传感器融合算法，结合PM2.5、甲醛等专用传感器，扩大污染物检测范围，提升数据采集的精准度，更好地适配办公室复杂的空气环境。完善智能控制算法，当前系统仅基于预设阈值实现净化模式切换，未来将引入机器学习算法，结合办公室人员流动规律、污染物浓度变化趋势，实现净化策略的自适应调节，进一步降低能耗，提升净化效率，实现个性化净化服务。
