基于STM32的手持環境監測系統設計

嚴學陽，楊筆鋒,2，張 杰，劉語嫣

(1.成都信息工程大學，四川 成都 610225； 2.中國氣象局大氣探測重點開放實驗室，四川 成都 610225)

基于STM32的手持環境監測系統設計

嚴學陽1，楊筆鋒1,2，張 杰1，劉語嫣1

(1.成都信息工程大學，四川 成都 610225； 2.中國氣象局大氣探測重點開放實驗室，四川 成都 610225)

工業化進程的加快使得各生產領域對環境信息如溫度、濕度等的監控提出了更高要求，因此，研發和設計一種功能多樣、操作簡單、可靠性高的環境監測儀是有意義的。文章運用傳感器技術和嵌入式技術完成了一個手持環境監測系統的設計。系統以STM32F107VC為核心控制處理器模塊，配以氣壓檢測模塊BMP180、溫濕度檢測模塊DHC1050、GPS模塊UBLOX MAX、PM2.5監測模塊、有害氣體監測模塊以及液晶顯示模塊，便于用戶采集查看環境數據，具有實時性和便攜性等特點。

傳感器; 嵌入式; STM32F107VC; 手持; 環境監測

0 引言

我國是世界上自然災害最嚴重的少數國家之一，災害種類多，發生頻率高，分布地域廣，造成損失大[1-2]。每次重大自然災害和社會突發公共事件發生后，交通、電力和通信等都是組織搶險救援最需求的基礎措施，而這些基礎設施又容易遭到破壞[3]。因此，研制體積小、可靠性高、功耗低、便于攜帶且能夠實時顯示的環境監控系統變得尤為迫切。目前常見的環境監控終端由于某些不足往往不能滿足某些場合的需求[4]，如測量設備體積較大、實時性差、精度低等，還需花費較多的人力。隨著單片機技術、傳感器技術、通信技術、計算機等技術的快速發展，環境監測技術也日新月異。各種實時性好、精度高,且適應各種苛刻環境的測量系統己被開發出來,在社會各個領域得到了廣泛應用。美國Onset計算機公司出品的HOBO H8系列是一款外觀小巧、使用簡便的數據采集器,適用于室內、室外等環境因子的長期測量和記錄。國內也有類似產品，如北京機械工業學院以超低功耗單片機MSP430P325為核心，制成了便攜式、高精度、低功耗的測溫儀。本文研究了一種基于STM32的手持環境監測系統，該系統已經具備了溫度、濕度、氣壓、海拔、PM2.5、PM10、經度、緯度、GPS時鐘等測量功能，可以廣泛運用于生產生活環境的實時測量，為各種生產生活活動提供及時準確的環境監測信息。

1 系統總體設計

該手持環境監測儀以STM32為核心控制處理器模塊[5]，配以氣壓檢測模塊、溫濕度檢測模塊、GPS模塊、PM2.5監測模塊、有害氣體檢測模塊以及顯示模塊。核心控制處理器模塊STM32F107VC功耗低、體積小、成本低、功能強、外圍模塊豐富。溫濕度檢測模塊使用TI公司的具有體積小、質量輕、數據采集簡單方便等特點的HDC1050數字低功耗高精度溫濕度傳感器，采集周圍環境的溫度以及相對濕度；氣壓檢測模塊通過德國BOSCH公司研發的測量精度較高且功耗低、體積小的BMP180數字式氣壓傳感器測量環境氣壓；GPS模塊通過U-blox公司研發的GPS定位芯片測量氣象儀所處經緯度及海拔高度數據，實現定位和授時的功能；PM2.5監測模塊實現PM1.0、PM2.5和PM10的監測功能；有害氣體檢測模塊設計成可選配活動模塊，可以根據需求更換有害氣體傳感器來滿足檢測需要；液晶顯示模塊主要用于對以上幾個模塊的監測值進行輸出，讓人可以直觀地看到這些功能所監測到的數值。通過軟件編程協調各部分工作，實現體積小、低功耗手持環境監測儀的設計。系統總體設計框圖如圖1所示。

2 系統硬件原理分析

設計的硬件系統包括以STM32F107VC微處理器為核心的外圍電路，溫濕度傳感器、氣壓傳感器、PM2.5監測傳感器、氣體傳感器及GPS經緯度海拔高度模塊信號采集電路，以及數據顯示、數據存儲及數據傳輸電路等。

2.1 單片機處理模塊

本設計選用的核心處理器模塊STM32F107VC是STM32互聯型系列微控制器，此芯片集成了以太網、CAN總線、RS485、RS232、USB OTG等各種高性能工業標準接口。其標準外設包括10個定時器、兩個12位1 Ms/s采樣速率的AD(模數轉換器)、兩路12位DA(數模轉換器)等，可以應用于多種工業場合。在核心處理器的基礎上，充分利用其集成的外設單元，設計相應的外圍接口電路，實現了需求功能[6]，降低了系統成本。該芯片引腳封裝如圖2所示。

2.2 GPS模塊

GPS模塊采用UBLOX公司低功耗的MAX7Q芯片，該芯片通過串口和STM32連接，系統采用3.3 V供電，為了提高信號的靈敏度，信號接收采用有源天線。同時由于該模塊內部沒有Flash，每次上電必須對該模塊重新配置，保證處理器時間的準確性。UBLOX MAX7Q電路連接如圖3所示。

2.3 顯示模塊

設計采用的TFT-LCD即薄膜晶體管液晶顯示屏以其優異的顯示效果在短短十幾年時間內成為LCD的主流技術[7]，其具有驅動電壓低、功率消耗小、反應速度快、顯示畫面質量好等優點，目前被廣泛應用于手機、PDA等由電池驅動的便攜式電子儀器中，可滿足攝像、游戲和視頻等動態影像播放的要求。該顯示模塊使用320×240點陣TFT-LCD液晶屏，液晶屏原理圖如圖4所示。

2.4 氣壓檢測模塊

系統選用便于集成的BMP180作為氣壓檢測傳感器。BMP180是博世公司出產的一款高精度、小體積、低能耗的傳感器，可以直接通過I2C總線接口[8]與微處理器進行相連。其原理圖如圖5所示。

2.5 溫濕度檢測模塊

溫濕度檢測模塊使用HDC1050。此傳感器的工作溫度在-40℃～+125℃之間，工作電壓在2.7 V～5.5 V，采用3 mm×3 mm封裝，體積小，滿足手持環境監測儀的工作環境要求。溫濕度檢測模塊原理圖如圖6所示，采用3.3 V供電。

2.6 PM2.5監測模塊

PMS5003是一款基于激光散射原理的數字式通用顆粒物濃度傳感器,可用于PM2.5的監測，該傳感器可嵌入各種與空氣中懸浮顆粒物濃度相關的儀器儀表或環境改善設備，為其提供及時準確的濃度數據。PM2.5監測模塊原理圖如圖7所示。

3 系統軟件設計

嵌入式軟件KEIL uVision4集成開發環境[9]提供了一個簡單友好的窗口界面用于程序開發和調試。嵌入式軟件主要任務包括系統初始化、氣象要素采集、PM2.5數據采集、氣體數據采集、經緯度海拔高度采集、數據液晶顯示以及實時時鐘。嵌入式軟件程序運行流程圖如圖8所示。

嵌入式軟件程序的思想是首先對系統硬件進行初始化，包括對系統時鐘、GPIO口、中斷的配置，對各數字傳感器寄存器進行初始化，對I2C總線、SPI總線、ADC、RTC實時時鐘、USART、內部內存池及各芯片等初始化[10]。然后檢測RTC實時時鐘是否設置好系統時間，如已經設好系統時間則各要素傳感器及GPS經緯度海拔高度模塊每隔1 min進行一次數據采集，經微處理器數據處理后轉換成要素值實時顯示在液晶屏上。

4 系統測試結果

該手持環境監測儀數據顯示是通過STM32微處理器的FSMC總線驅動LCD液晶顯示屏來實現的，液晶屏數據每1 min更新一次。圖9為成都信息工程大學綜合氣象觀測場2016年6月13日20時19分采集到的數據。從液晶屏上可以看到當時氣溫為25.8 ℃，濕度為73.97 %RH，氣壓為946.42 hPa，當時測試點所處經度為東經103.593 67°，緯度為北緯30.351 634°，海拔高度為498.0 m，PM1.0的值為44，PM2.5的值為62，PM10的值為76，1 L空氣中半徑2.5 μm以上的顆粒數為20。因此可以看出氣象儀能正常采集并顯示各要素數據。

5 結論與展望

通過實際應用證明，該手持環境監測儀運行穩定，實現了對各氣象要素的監測。與其他同類環境監測儀相比，該設備具有以下優點：

(1)該系統穩定性高且設計簡單，用戶不需要掌握太多電子技術就可以操作應用，且設備體積小，便于攜帶。

(2)系統充分考慮成本問題，選用目前市場上同類器件中性價比較高的元器件，不但滿足系統工作性能要求，而且大幅降低了成本。

(3)系統采用的芯片為低功耗類型，電路設計合理，在很大程度上減少了系統耗電，延長了待機時間。

由于受研究時間和測試條件的限制，系統有以下兩方面的問題亟待改進：

(1)手持環境監測儀實現了數據的實時顯示，作為更長遠的發展，可以添加數據的存儲、傳輸和查詢功能并與上位機進行通信，使測試的數據管理更加有效。

(2) 手持環境監測儀系統后續需進行外場試驗，與常規自動站進行數據對比，優化測量程序進一步提高測量精度和準確度。

[1] 王曉晶,趙銀花，宋柏林，等.基于STM32生產環境監控系統[J].長春工業大學學報(自然科學版),2015，36(1):61-62.

[2] 柯菡. 我國自然災害管理與救助體系研究[D]. 武漢:武漢科技大學,2007.

[3] 樊銳，李茹，任春雷.基于突發災難援救環境的藍牙/ZigBee異構無線網絡傳輸系統的設計與實現[C].中國計算機學會服務計算學術會議， 2012.

[4] 李楠，李建義，張紅亮，等.基于STM32的環境監控終端的設計與實現[J].北華航天工業學院學報,2013，23(1):15-19.

[5] 李朝青.單片機原理與接口技術[M]. 北京:北京航空航天大學出版社,2005.

[6] 關麗敏，李思慧，李偉剛.STM32F107VC的嵌入式遠程監控終端設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2014，14(6)：73-74.

[7] 張敏.TCT-LCD顯示器顯示質量測評[J].光電子技術,2000，20(4)：260-268.

[8] 李會坤. 基于S3C2440與GPRS的嵌入式環境數據采集系統設計[D].長春:吉林大學, 2016.

[9] 程小艷. 嵌入式STM32F107VCT6微處理器接口模塊開發及應用研究[D].合肥:合肥工業大學, 2012.

[10]李寧.基于MDK的STM32處理器應用開發[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008.

Design of handheld environmental monitoring system based on STM32

Yan Xueyang1,Yang Bifeng1,2,Zhang Jie1,Liu Yuyan1

(1.Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, China; 2.The Key Laboratory of China Meteorological Administration, Chengdu 610225, China)

The acceleration of the industrialization process has put forward higher requirements for environmental information such as temperature, humidity and so on in the field of production. Therefore, it is meaningful to develop and design a environmental monitoring instrument which has various functions, simple operation and high reliability. This paper uses the sensor technology and embedded technology to complete the design of a handheld environmental monitoring system. The system takes STM32F107VC as the core control processor module, with air pressure detecting module BMP180,temperature and humidity detection module DHC1050, GPS module UBLOX MAX, PM2.5 monitoring module,harmful gas monitoring module and liquid crystal display module. It is convenient for users to collect and check environment data, and it has the characteristics of real-time and portability.

sensor; embedded; STM32F107VC;handheld;environmental monitoring

TP274.2

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.05.026

嚴學陽，楊筆鋒，張杰，等.基于STM32的手持環境監測系統設計[J].微型機與應用，2017,36(5)：88-90，94.

2016-10-11)

嚴學陽(1994-)，女，碩士研究生，主要研究方向：氣象探測、信號與信息處理。

楊筆鋒(1980-)，男，碩士，副教授，主要研究方向：氣象探測、電子綜合設計。

張杰(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向：氣象探測、電子通信。