環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)①

雷志強(qiáng), 田軍委, 蘇 宇, 喬 路, 張 吉

(西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 西安 710021)

隨著工業(yè)化和人們生活水平的不斷提高, 環(huán)境污染監(jiān)測(cè)的重要性愈發(fā)凸顯, 監(jiān)測(cè)的內(nèi)容包括PM2.5、PM10、SO2、NO2、NH3、CH2O、CO、O3、溫度、濕度和噪音等[1]. 然而目前市場(chǎng)上的環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備功能單一、精度不高、準(zhǔn)確性差、采樣誤差大、實(shí)時(shí)性低,因此本文研制了一種基于STM32的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng). 該環(huán)境數(shù)采系統(tǒng)已經(jīng)具備了溫濕度、PM2.5、PM10、SO2、NO2、NH3、CH2O、CO、O3及噪聲等測(cè)量功能. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和誤差分析表明該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和顯示功能以及系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可信度. 此系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于廠礦企業(yè)、建筑工地和人居環(huán)境等的污染數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量, 也可為相關(guān)企業(yè)和政府部門提供及時(shí)準(zhǔn)確的環(huán)境監(jiān)測(cè)信息. 與此同時(shí), 掌握當(dāng)前環(huán)境污染狀況可對(duì)治霾防霾、噪聲治理和空氣質(zhì)量信息發(fā)布提供決策支持和技術(shù)支撐.

(1) 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是以STM32為核心控制處理器模塊, 以數(shù)字溫濕度檢測(cè)模塊、PM2.5監(jiān)測(cè)模塊、噪聲監(jiān)測(cè)模塊、紅外復(fù)合氣體監(jiān)測(cè)模塊、SO2氣體監(jiān)測(cè)模塊、O3濃度監(jiān)測(cè)模塊、ZEO3電化學(xué)氣體監(jiān)測(cè)模塊、氮氧化合物氣體監(jiān)測(cè)模塊以及GPRS模塊和液晶顯示模塊, 通過(guò)RS485工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行連接. 環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體框圖如圖1所示.

圖1 環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體框圖

(2) 系統(tǒng)硬件原理分析

硬件系統(tǒng)包括以STM32F103VET6微處理器為核心的外圍電路, 數(shù)字溫濕度傳感器、PM2.5監(jiān)測(cè)傳感器、紅外復(fù)合氣體傳感器、噪聲傳感器、SO2氣體監(jiān)測(cè)傳感器、ZEO3電化學(xué)氣體監(jiān)測(cè)傳感器、CJMCUMICS-6814氣體傳感器、MQ131臭氧濃度傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及GPRS模塊的數(shù)據(jù)傳輸電路等。

1) 單片機(jī)處理模塊

本設(shè)計(jì)選用的核心處理器模塊STM32F103VET6是STM32互聯(lián)型系列微控制器, 具有功耗低、體積小、功能穩(wěn)定可靠、高性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn). 此芯片支持CAN總線、RS485、RS232、USB OTG等各種高性能工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口. 其標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)包括10個(gè)定時(shí)器、三個(gè)12位1 Ms/s采樣速率的AD( 模數(shù)轉(zhuǎn)換器) 、兩路12位DA( 數(shù)模轉(zhuǎn)換器) 等, 可用于多種場(chǎng)合. 在核心處理器的基礎(chǔ)上, 充分利用其集成的外設(shè)單元, 設(shè)計(jì)了相應(yīng)的外圍接口電路, 實(shí)現(xiàn)了需求功能[2], 降低了系統(tǒng)成本. STM32F103VET6實(shí)物圖如圖2所示.

圖2 STM32F103VET6實(shí)物圖

2) PM2.5監(jiān)測(cè)模塊

PM2.5監(jiān)測(cè)模塊采用A4-CG濃度傳感器, 它是一款基于激光陷阱散射原理的數(shù)字式通用顆粒物濃度傳感器, 具有體積小、重量輕、 成本低高性價(jià)比等特點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)PM2.5和PM10的監(jiān)測(cè)功能. PM2.5監(jiān)測(cè)模塊原理圖如圖3所示.

圖3 PM2.5監(jiān)測(cè)模塊原理圖

3) 溫濕度檢測(cè)模塊

GY-SHT31-D溫濕度檢測(cè)模塊具有體積小、質(zhì)量輕、數(shù)據(jù)采集簡(jiǎn)單方便等特點(diǎn). 溫濕度檢測(cè)模塊使用Sensirion CMOSens?溫濕度傳感器, 具有高信噪比、快速處理能力、高可靠性及穩(wěn)定性的特點(diǎn), 可采集周圍環(huán)境的溫度以及相對(duì)濕度. 此傳感器的工作溫度在–40℃～+125℃之間, 工作電壓在2.4V～5.5V, 采用2.5mm×2.5mm封裝, 體積小, 滿足環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作環(huán)境要求. 原理圖如圖4所示.

圖4 溫濕度檢測(cè)模塊原理圖

4) 紅外氣體監(jiān)測(cè)模塊

紅外氣體監(jiān)測(cè)模塊采用HRT品牌的氣體傳感器,工作溫度在–20℃～+60℃之間, 工作濕度≤95%RH(非冷凝), 工作電壓為5VDC. 此傳感器采用紅外復(fù)合測(cè)量原理. 當(dāng)待測(cè)氣體以擴(kuò)散形式通過(guò)微孔過(guò)濾片進(jìn)入殼體內(nèi), 吸收特定波長(zhǎng)的紅外光, 且吸收強(qiáng)度與待測(cè)氣體濃度滿足朗伯-比爾吸收定律[3]. 通過(guò)分析吸收前后紅外光強(qiáng)的變化來(lái)獲得待測(cè)氣體濃度.

5) SO2氣體監(jiān)測(cè)模塊

SO2氣體監(jiān)測(cè)模塊采用2SH12探頭，帶模擬和TTL電平信號(hào)輸出，具有體積小、穩(wěn)定性強(qiáng)、靈敏度高、響應(yīng)快速及適應(yīng)性好的特點(diǎn)，工作溫度在－10℃～+50℃之間，工作濕度≤95%RH（非冷凝），工作電壓為5 VDC，氣體敏感元件測(cè)試濃度范圍為1～500 ppm。通過(guò)簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。SO2氣體監(jiān)測(cè)模塊實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 SO2氣體監(jiān)測(cè)模塊實(shí)物圖

6) ZEO3電化學(xué)氣體監(jiān)測(cè)模塊

ZEO3電化學(xué)氣體監(jiān)測(cè)模塊采用三電極電化學(xué)氣體傳感器和高性能微處理器, 具有低功耗、高靈敏度及分辨率、良好的穩(wěn)定性和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn), 工作溫度在0℃～+50℃之間, 工作濕度在20%～95%RH之間, 工作電壓為3.7～9 VDC, 工作電流＜5 mA. 內(nèi)置溫度傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償, 可精確的測(cè)量環(huán)境中的氣體濃度.

7)氮氧化合物氣體檢測(cè)模塊

MICS-6814氮氧化合物氣體監(jiān)測(cè)模塊為緊湊型MOS傳感器, 包括三個(gè)帶有獨(dú)立加熱器和敏感層的傳感器芯片. 它具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn), 一個(gè)傳感器芯片檢測(cè)氧化氣體, 另一個(gè)傳感器探測(cè)到紅色氣體和NH3. 可檢測(cè)氣體及范圍如表1所示.

表1 MICS-6814氣體傳感器檢測(cè)氣體及范圍

8) O3濃度監(jiān)測(cè)模塊

O3濃度監(jiān)測(cè)模塊采用MQ131高低濃度臭氧傳感器, 具有良好的靈敏度、長(zhǎng)壽命、低成本、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn), 可實(shí)現(xiàn)O3濃度監(jiān)測(cè)功能; 當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在臭氧時(shí), 傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中臭氧氣體濃度的增加而減小. 使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào).

9) GPRS模塊

GPRS模塊采用內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧的SIM900A芯片, 可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸功能[4]. 其正常工作溫度在–30℃～+80℃之間, 工作電壓為3.2～4.8 V之間, 可以在EGSM900和GSM1800MHZ兩個(gè)頻段工作, 工作于EGSM900時(shí)功耗為2 W, 工作于GSM1800時(shí)功耗為1 W[1], 通過(guò)串口AT指令實(shí)現(xiàn)對(duì)GPRS的控制, 實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的上傳, 并將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳回服務(wù)器, 進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè).

10) 顯示模塊

本文采用的TFT-LCD即薄膜晶體管液晶顯示屏,具有驅(qū)動(dòng)電壓低、功率消耗小、反應(yīng)速度快、顯示畫面質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)[5]. 該顯示模塊使用400×800點(diǎn)陣液晶屏[6], 主要用于對(duì)以上模塊的監(jiān)測(cè)值進(jìn)行輸出, 直觀顯示監(jiān)測(cè)數(shù)值.

11) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

使用SD卡對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)到的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ). 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)上采用FATFS對(duì)SD卡中文件進(jìn)行管理,將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為CSV(逗號(hào)分隔符)文件格式, 從而可將數(shù)據(jù)以Excel表格的形式在計(jì)算機(jī)上顯示, 便于數(shù)據(jù)查看和管理.

(3) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文采用嵌入式軟件KEIL u Vision4集成開發(fā)環(huán)境[7]進(jìn)行程序開發(fā)和調(diào)試, 采用C語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì).嵌入式軟件主要任務(wù)包括系統(tǒng)初始化、PM2.5、PM10 數(shù)據(jù)采集、O3、SO2、CO、CH2O、CH4、NH3及氮氧化合物等氣體的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)液晶顯示以及實(shí)時(shí)時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生.

溫濕度檢測(cè)模塊使用IIC通信協(xié)議, 初始化配置STM32F103的兩個(gè)GPIO_Pin, 編寫程序?qū)崿F(xiàn)IIC協(xié)議的軟件模擬, 利用IIC程序編寫溫濕度傳感器的底層驅(qū)動(dòng)程序. 將獲得的溫濕度數(shù)值存儲(chǔ)于環(huán)境數(shù)值結(jié)構(gòu)體中.

PM2.5、PM10采集模塊, O2采集模塊, O3采集模塊, CO2、CH4、CO、CH2O、VOC采集模塊均使用串口通信與STM32F103進(jìn)行通信, 其波特率分別為:9600、9600、115 200、9600. 分別初始化配置STM32F103的 USART1、USART2、USART3、UART4工作在相應(yīng)的模式及波特率下, 并根據(jù)各模塊的數(shù)據(jù)通信協(xié)議編寫對(duì)應(yīng)的串口中斷處理程序, 數(shù)據(jù)校驗(yàn)成功后將原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于相應(yīng)的數(shù)組中, 之后根據(jù)通信協(xié)議對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解析, 從而得到各待測(cè)參數(shù)的具體數(shù)值, 并將這些數(shù)值存儲(chǔ)于環(huán)境數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體中. 串口程序流程圖如圖6所示.

圖6 串口處理程序流程圖

SO2采集模塊, NH3、NO2采集模塊, 噪音檢測(cè)模塊的輸出量均為模擬量, 使用STM32F103的ADC1對(duì)其各自的模擬量輸出進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換, 設(shè)置ADC1工作在DMA模式下, 對(duì)4個(gè)模擬量輸入通道進(jìn)行輪詢轉(zhuǎn)換; 并將AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)組中, 數(shù)據(jù)處理程序根據(jù)各傳感器的參數(shù)對(duì)各數(shù)字量進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算, 從而得到各待測(cè)量的具體數(shù)值. 并將數(shù)值存儲(chǔ)于環(huán)境數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體中.

實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊采用IIC通信協(xié)議. 首先初始化配置IIC軟件模擬程序, 然后編寫時(shí)鐘模塊的驅(qū)動(dòng)程序,獲得當(dāng)前的準(zhǔn)確日期以及時(shí)間.

液晶顯示模塊程序主要包括液晶屏的初始化程序、文字和數(shù)字顯示程序.

嵌入式軟件程序運(yùn)行主程序流程圖如圖7所示.

圖7 嵌入式軟件主程序程序流程圖

(4)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

本文設(shè)計(jì)的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)STM32微處理器來(lái)驅(qū)動(dòng)TFT-LCD液晶顯示觸摸屏來(lái)顯示數(shù)據(jù), 液晶屏數(shù)據(jù)刷新率為1次/min. 圖8所示為2017年12月27日19時(shí)31分在西安市未央?yún)^(qū)西安工業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的檢測(cè)數(shù)據(jù). 括號(hào)內(nèi)為同一時(shí)間國(guó)家環(huán)保部在西安市未央?yún)^(qū)草灘的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù), 將之作為標(biāo)準(zhǔn)值. 從液晶屏上可以看到溫度為19.82℃, 濕度為36.11%, O2含量為20.7%, PM2.5為226 ug/m3(218 ug/m3), PM10為235 ug/m3(281 ug/m3), CO2濃度為1407 ppm, O3濃度為80 ppb, 噪聲為54 dB, NH3濃度為1.00 ppm, NO2濃度為0.05 ppm, 其余采集參數(shù)為零.

以PM2.5和PM10的測(cè)量值和標(biāo)準(zhǔn)值作誤差分析, 利用相對(duì)誤差計(jì)算公式得出: 1) PM2.5測(cè)量值的相對(duì)誤差為3.7%; 2) PM10測(cè)量值的相對(duì)誤差為16.4%.經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)PM2.5的測(cè)量值和標(biāo)準(zhǔn)值很近似, 而PM10的誤差相對(duì)較大. 這是因?yàn)镻M10受監(jiān)測(cè)點(diǎn)地理位置、風(fēng)速和天氣等因素影響較大, 故與標(biāo)準(zhǔn)值有一定的差距, 但仍在可接受范圍內(nèi). 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及誤差分析表明本文設(shè)計(jì)的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可正常采集并顯示各要素?cái)?shù)據(jù), 同時(shí)也增加了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可信度.

圖8 環(huán)境數(shù)采儀數(shù)據(jù)采集與顯示功能測(cè)試

(5)結(jié)論與展望

1)通過(guò)實(shí)際應(yīng)用證明, 該環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定, 實(shí)現(xiàn)了對(duì)PM2.5、PM10以及O3、SO2、CO、CH2O等氣體的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè). 與其他同類系統(tǒng)相比,該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):

① 該系統(tǒng)可檢測(cè)氣體種類多、可靠性好、穩(wěn)定性高、體積小, 便于攜帶.

② 充分考慮經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性, 選用目前市場(chǎng)上性價(jià)比較高的元器件. 不僅滿足了系統(tǒng)工作性能要求, 還極大地降低了成本.

③ 采用的芯片為低功耗類型, 減少了系統(tǒng)耗電, 延長(zhǎng)了待機(jī)時(shí)間.

2) 由于受研究時(shí)間和測(cè)試條件的限制, 本文提出的系統(tǒng)還有不少待改進(jìn)之處, 因而對(duì)以后工作進(jìn)行了展望:

① 該環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)雖然實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ), 但作為更長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展, 可以添加數(shù)據(jù)的傳輸和查詢功能并與上位機(jī)進(jìn)行通信, 使數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)分析更加有效.

② 該環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需進(jìn)行外場(chǎng)試驗(yàn), 并與國(guó)家監(jiān)測(cè)站進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比, 進(jìn)一步優(yōu)化軟測(cè)量方法以提高其精度和準(zhǔn)確度.

③ 此環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是研究課題——空氣質(zhì)量綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng), 是為以后空氣質(zhì)量綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供多個(gè)檢測(cè)數(shù)據(jù)的來(lái)源, 并且在該系統(tǒng)上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析, 從而使采集的數(shù)據(jù)更有價(jià)值.