基于STM32大氣動態霧霾檢測系統的設計

沈行良,李天予,陸昕宇

(上海工程技術大學 電子電氣工程學院，上海 201620)

基于STM32大氣動態霧霾檢測系統的設計

沈行良,李天予,陸昕宇

(上海工程技術大學 電子電氣工程學院，上海 201620)

大氣的質量直接關系到人們的生存環境，衡量大氣污染的程度和對身體健康造成的傷害，都離不開對大氣的檢測；如何進行檢測，用什么方法來評判，文章提出一種方法來實時檢測大氣霧霾的狀況，尤其是PM2.5(空氣動力學當量直徑小于等于2.5微米的顆粒物)被認為是造成霧霾天氣的“元兇”；大氣霧霾監測系統利用霧霾檢測器和GPRS傳導，將所在地霧霾情況實時監測傳輸給手機APP終端，手機接收之后將數據整合顯示給使用者，達到霧霾監測和提前應對惡劣天氣的作用。

STM32；微型處理器；GPRS；霧霾檢測

0 引言

隨著社會的發展，人們對空氣質量的關心越來越強烈，在中國，有許多城市因為長期工業的發展，工業廢料等化學試劑不正當的處理，導致這些城市籠罩在一片朦朧之下，而這些PM2.5顆粒對人的身體也有相當大的影響，因此人們越來越關注霧霾指數，就像關注天氣預報一樣，人們需要實時的檢測來判斷今日是否應采取“防護措施”，政府也需要關注霧霾指數來對城市進行整治，我們國家對于霧霾的重視程度也日益增長，很多地區尤其是重工業地區都對很多大型企業進行了整治，意在發展的同時也能保護好我們賴以生存的環境。與此同時，隨著STM32的研發問世，讓數據傳輸系統更加完善。本研究即以STM32、GPRS為基礎，霧霾檢測器為輔，打造的低功耗，高效率的實時檢測系統。

1 系統設計

1.1 系統總體架構

隨著激光霧霾檢測的光電環數據采集系統電路的研制逐漸成熟[1]，已經可以在一定程度上代替濾膜稱重法、β射線法、和震蕩天平發、衛星遙感監測[2-3]，并且可以大幅降低成本，并具體展示區域內各處霧霾指數。

利用單片機進行運算處理并用GPRS網絡發送數據交由服務器處理的星型結構，極大提高組網的靈活性，提高采樣密度。

與市場上同類型產品相比，我們的設備具有聯網及無線傳輸功能，作為氣象局霧霾數據的補充信息。與此同時，我們的設備與時代接軌，充分利用手機利用率的普及性能將霧霾數據實時轉接到手機中，并進行一系列的優化和處理，讓使用者能更有效的了解到霧霾帶來的危害和高效、快速地進行霧霾預防和處理。所形成系統總體構架圖如圖1所示。

圖1 系統總體構架圖

MCU(STM32F103)是整個系統網絡的核心。本系統由整個系統大致由4個步驟依次完成：

(1)利用攀藤科技G1 PM2.5傳感器采用激光散射原理，精確測量PM2.5濃度，并且功率較小，符合實際測量需求。

圖3 傳感器原始數據

(2)由霧霾傳感器檢測到的數據通過USART串口1傳輸給STM32進行數據處理，這時數據會在系統版顯示器上顯示。

(3)STM32處理過的數據通過串口2傳輸給GPRS模塊，此時GPRS模塊會通過無線電波將數據傳輸給電腦服務器(此過程需要蜂窩網絡，中國在低空領域蜂窩網絡基本覆蓋，因此可以正常使用)。

(4)服務器接收到數據將原始十六進制數據轉化成十進制，進而主要進行下面3個模塊：

1)發布霧霾數據讓使用者得知當日霧霾指數，并顯示所在地各安置點霧霾區域的濃度指數繪圖

2)處理霧霾數據并將數據拓展，傳遞更多有用的信息

3)在霧霾數據偏高的區域尋找污染源并提醒有關部門進行治理整治

1.2 數據的流向及過程

本產品最重要的就是最后數據的真實性和時效性，那么如何進行數據的傳輸就是本系統的一大關鍵，具體的數據流向如圖2所示。

圖2 數據流向

由霧霾檢測器檢測出的數據是以十六進制進行傳輸，通過串口1傳輸到MCU上面，此時仍保持十六進制數據，將數據進行“封裝”、“打包”由串口2傳輸到GPRS模塊中，此時可以通過AT指令調節數據傳輸的大小，即傳輸時高功耗，不傳輸時低功耗，這樣可以達到電量最優使用的效果。隨后，收到打包數據的GPRS模塊會通過無線電波及蜂窩數據的協助來將數據傳輸給服務器，此時服務器收到的數據為原始十六進制數據(如圖3所示)，收到數據的服務器會根據指定程序語言將十六進制數據進行“拆封”，并進一步轉化為十進制的數據進行優化和可視化顯示。

2 霧霾檢測系統的設計

在一個大的區域范圍內檢測霧霾狀況，要著重解決長距離的通訊和n個檢測點數據接收識別和分類存儲。設計采用GPRS通訊方法，GPRS通訊網幾乎覆蓋全國各地，通過認證接入實現通訊。指定檢測點的編址規則，有良好的擴展性，以滿足大容量的需求，區分每一個檢測點采集的霧霾數據。STM32控制著霧霾傳感器和GPRS模塊的運行，從霧霾傳感器采集到數據，做格式轉換和編址后，經GPRS模塊發送至云端服務器。

2.1 CPU的選取

在實驗室階段采用現成的STM32系統板，完成基本實驗后會自己設計主板，并將各功能模塊集中在主板上。STM32開發板上內容十分豐富，而且都有相應的標注，十分適合做系統版，有很強的開發空間。 STM32 開發板載有目前比較通用的液晶顯示模塊接口，還有其比較有特色的兼容性接口。與此同時，開發板板載了 NRF24L01 無線模塊的接口。該接口用來連接 NRF24L01等2.4 G無線模塊，從而實現開發板與其他設備的無線數據傳輸(注意：NRF24L01 不能和藍牙/WIFI 連接)。NRF24L01 無線模塊的最大傳輸速度可以達到2 Mbps，傳輸距離最大 可以到 30 米左右(空曠地無干擾)。有了這個接口，我們的霧霾傳感器數據的發送將更加快捷方便。 下一步就是選取芯片，在選取芯片時需滿足實時計算、傳輸的性能需求，又要權衡功耗，盡量減少電池使用。故選擇STM32F103系列芯片。

2.2 傳感器模塊

關于霧霾傳感器的選取，我們尤為慎重，在經過一系列的對比和資料的整理，最終選取PMS5003作為監測霧霾數據的傳感器。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，可連續采集并計算單位體積內空氣中不同粒徑的懸浮顆粒物個數，即顆粒物濃度分布，進而換算成為質量濃度，并以通用數字接口形式輸出。本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(具體過程見圖4)。

圖4 霧霾傳感器模塊原理

2.3 GPRS模塊

想到利用GRPS進行數據傳輸也是考慮到了數據需要時效、快捷、無損地傳導到電腦客戶端進行數據處理，由于GPRS可提供高達115 kb的傳輸速率，因此GPRS模塊通過無線電波進行數據的傳導很大程度的上保證了數據的時效性和真實性。利用GPRS也同樣可以保證數據“永遠在線”，他可以保證網絡的順暢運行，而選用SIM900A GPRS模塊主要是保證遠距離傳輸的需要，SIM900A是緊湊型、高可靠性的無線模塊，采用SMT封裝的雙頻GSM/GPRS模塊解決方案，采用功能強大的處理器ARM9216EJ-S內核，能滿足低成本、緊湊尺寸的開發要求。這也正符合了我們設計的價格低廉但小巧實用的特性。

2.4 數據的處理

在電腦接收到霧霾信號時，實時存入SQLite輕型數據庫并對其進行可視化處理。

(1)根據《環境空氣質量指數(AQI)技術規定》，分別用 綠色，黃色，橙色，紅色，紫色，褐色，褐紅色表示空氣優，良，輕度污染，中度污染，重度污染及嚴重污染。

(2)由于空氣污染物擴散模型需要大量數據作為支撐，本系統暫時無法做到，只能實時顯示霧霾數據。

(3)顯示各觀測點過去24小時、7天及30天霧霾濃度柱狀圖。

(4)結合學校地圖，制作便于觀察的霧霾顯示圖，方便查看。

(5)將以上圖標以圖片格式輸出，便于在學院公眾號上展示。

3 結果與分析

使用GPRS聯網設計，突破傳統手持式霧霾檢測儀只能檢測單點數據的局限性；實時的數據傳輸使獲得的霧霾數據更有科學性，時效性。極大程度減少了延時、錯誤數據帶來的弊端，結合大數據，云計算使霧霾數據更精確地反映區域內各處霧霾指數。

將霧霾檢測數據通過GPRS通訊傳送到云端服務器，實現數據傳輸的快捷、真實、時效、易讀取的性能。經計算機處理后，在地圖上顯示各檢測點霧霾數據，具有直觀，可視化的優點。小型化設計相比專業氣象設備大大降低了成本，也便于多處安置，擴大了檢測范圍，實現霧霾大數據的采集。應用GPRS技術，使通訊的成本大為降低，不受距離限制，部署容易。經計算機處理后，在地圖上顯示各檢測點霧霾數據，具有直觀，可視化的優點。用戶終端通過訪問云端服務器作處理在地圖上顯示各檢測點霧霾數據，也可以用手機隨時查看，快速全面地掌握整個區域的霧霾狀況。

4 結束語

在這個日新月異、發展迅速的社會，工業發展在迅速升溫的過程中我們賴以生存的地球也受到了不小的危害，看著全世界都在關注霧霾帶給人類生存以及活動帶來的影響，作為祖國未來棟梁的大學生的我們也有義不容辭的職責去保護我們的環境。當單片機遇到霧霾檢測器、GPRS傳輸以及用C語言編寫的數據處理系統，我們十分有信心將這些軟件和硬件結合起來，制造出一個高效率、低功耗的霧霾檢測系統。這個系統不僅能將霧霾數據具體化，范圍化，更能將數據本身進行轉換和分析，它可以提醒人們霧霾的危害，也能更好的對霧霾進行預防和控制。我們也將當下最流行的STM32融入到我們的設計系統中，旨在利用在先進的科技做出最完美的設計品。由霧霾傳感器、STM32系統版、GPRS模塊三部分組成的外部硬件將在調試成功后整理、包裝，成品的外設霧霾檢測器將是一個有良好外觀的匣子，不僅如此，我們還會將手機趨勢考慮其中，數據將以多方面的表達形式進行傳輸，其中就包括現在最流行的微信公眾號以及二維碼數據模式。當然，在治理霧霾和檢測霧霾的專用器械道路上，我們還有很長一段路要走。在中國越來越關注環境問題的大環境下，我們愿貢獻出微薄之力，讓中國的環境在發展中越來越好。

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Design of Atmospheric Dynamic Haze Detection System Based on STM32

Shen Xingliang,Li Tianyu,Lu Xinyu

(College of Electronic & Electrical Engineering,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620,China)

STM32 is the mainstream of the embedded application, it led a group of high performance, low cost, low power consumption products. With the industry of our country, by the development of science and technology, has brought rapid economic rise at the same time, but also seriously pollute the living environment, affecting the air quality. Where is the cause of hitherto unknown attention haze which is to exceed the standard content of suspended particles in the atmosphere of the general formulation, especially PM2.5 (aerodynamic equivalent diameter less than or equal to 2.5 micron particles) was found to be the culprit behind the haze weather. Haze monitoring system using the detector and the GPRS conduction. The location of the haze situation real-time monitoring and transmission to the mobile phone terminal, after receiving the integration of the data displayed to the user, to haze monitoring and response to bad weather in advance.

STM32; CPU; GPRS; haze monitoring

2016-12-22；

2017-02-06。

沈行良(1960-)，男，高級工程師，主要從事智能儀器儀表及嵌入式，生產過程的自動化方向的研究。

1671-4598(2017)07-0036-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.07.009

X85

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