基于STM32的便攜式環境質量監測儀設計

邵延華，羅燕楊，楚紅雨，饒云波

(1.西南科技大學信息工程學院，四川 綿陽 621000； 2.電子科技大學信息與軟件工程學院,四川 成都 610054)

0 引言

隨著現代科技的進步，人民生活水平日益提高，追求綠色健康生活的意識也在逐年提升。但隨著經濟增長及工業化水平的提高，環境污染種類和程度逐年增長[1]。近年來，我國屬環境污染的重災區，不僅對植物、動物以及天氣等產生不可估計的后果，而且會對人體產生嚴重的危害[2]。即使大氣中污染物濃度不高，人體長年累月呼吸污染過的空氣，也會引起慢性支氣管炎、支氣管哮喘、肺氣腫及肺癌等各類疾病[3]。

當前“甲醛門”事件引起人們的廣泛關注：許多出租房環境自檢不達準，其中甲醛濃度嚴重超標[4]。因此，監測環境中的甲醛濃度尤為重要。除了甲醛、一氧化碳這些空氣污染源以外，環境噪聲也會對人體健康造成極大危害。

PM2.5對人體有嚴重的危害，被單獨列為環境中的一級致癌物。國際環保組織綠色和平2018年發布的《2017年中國365個城市PM2.5濃度排名》數據顯示，2017年，全國356個城市中有256個城市的PM2.5年均濃度超出國家二級標準(35 μg/m3)，占總數的70.1%。因此，對環境中PM2.5濃度進行監測是必不可少的[5]。盡管我國建立了環境質量實時發布平臺，但由于發布平臺所發布的數據均為全國市級以上的城市，因此這些數據對中小城市特定區域或農村參考價值較小。

針對環境質量監測的重要性，業界提出了多種環境質量監測方法，對環境質量進行監測。文獻[6]利用單總線技術，設計了建筑物內空氣質量數據采集控制器。文獻[7]利用無線網絡技術，實現了對農田環境信息的采集，有效解決了農田環境信息采集中存在的環境復雜多變且供電布線困難的問題。文獻[8]利用基于窄帶物聯網(narrow band internet of things,NBIoT)技術的倉儲環境遠程監控系統，實現了數據的遠程采集并進行實時控制，同時保證了較低功耗。文獻[9]利用遠距離無線電(long range radio,LoRa)技術，設計了煤礦作業環境的實時監測系統，有效解決了煤礦環境下環境監測設備安裝困難的問題，提高了監測系統的可靠性。雖然環境信息監測的解決方案眾多，但是大多基于固定的場景，監測裝置的安裝位置固定，不便移動，在監測位置不固定的情況下使用會具有一定的局限性，因此需要設計一種便于攜帶和讀數的環境監測系統。

基于嵌入式技術[10-12]和傳感器技術[11-12]，設計一個針對環境中的溫濕度、PM2.5、噪聲、甲醛以及一氧化碳等數據進行實時監測的便攜式環境監測儀系統。系統能夠及時、準確以及全面地反映人們身邊的環境質量。系統不但可以將相關信息顯示到液晶顯示器(liquid crystal display,LCD)上，還可以通過通用分組無線業務(general packet radio service,GPRS)通信上傳到云服務器，用戶可以通過遠程監控客戶端查詢環境信息數據并觀察變化情況。實際測試結果表明，該系統性能穩定可靠，滿足環境監測需求，具有較好的應用前景。

1 環境質量監測儀系統設計

環境監測儀的系統設計主要包括整體系統設計、監測儀最小系統和外殼設計，接下來分別進行闡述。

1.1 整體系統設計

系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

以微控制器作為核心的主控系統是整個系統的工作核心，負責獲取各個傳感器所采集的信息、數據的轉化和處理、顯示和報警等功能。采集到的傳感器數據可通過顯示模塊直接顯示，也可以通過無線傳輸模塊上傳數據至云服務器。電源模塊給整體供電。顯示屏使用廣州大彩科技的帶觸摸功能的工業串口屏。該顯示屏用于實時顯示各種環境數據。

1.2 硬件系統設計

本系統采用意法半導體的STM32ZET6芯片作為微處理器。該款芯片具有串行外設接口(serial peripheral interface,SPI)，通用異步收發傳輸器(universal asynchronous receiver/transmitter,UART)和二線制同步串行總線(inter-integrated circuit,IIC)等硬件接口，且外設豐富，Flash容量較大，可以滿足監測系統中采集單元控制和通信的需求。STM32F103ZET6最小系統結構如圖2所示。

圖2 STM32F103ZET6最小系統結構圖

其中，啟動模式選擇電路可以讓用戶自主選擇STM32的啟動方式，一般包括用戶閃存存儲器、系統存儲器和靜態存儲器啟動三種方式。在下載代碼前需完成對STM32啟動方式的設置。串行調式電路用于仿真調試。另外，限于篇幅，對較基礎及常見的復位電路和時鐘電路不再展開介紹。

1.3 監測儀外殼設計

作為實用的嵌入式設備，外殼對于保護內部電路和傳感器具有一定的作用。另外，在設計時需要根據傳感器的測量要求注意一些特定問題。例如：為了保證監測環境中噪聲值的準確性，考慮在噪聲模塊探頭處打孔，使監測結果更準確。便攜式環境監測儀外殼采用Pro Engineer(Pro/E)軟件進行設計，借助3D打印機完成制作。

2 數據采集系統設計

環境數據采集是環境監測儀的核心功能，通過各種環境傳感器對環境數據進行采集，利用微控制器獲取傳感器信息并顯示。本節分別對溫濕度、PM2.5、環境噪聲、一氧化碳和甲醛等采集模塊進行設計和分析。

2.1 溫濕度信息采集

溫濕度是主要的環境信息之一。本設計采用Sensirion公司的SHT20溫濕度傳感器獲取溫濕度數據。該傳感器采用2.1～3.6 V的電壓供電，測溫范圍為-40～+125 ℃，精度誤差為±0.3 ℃，濕度測量范圍為0%RH～100%RH，精度為±1%RH。該傳感器將電容式濕度傳感器、帶隙溫度傳感器和專用模擬和數字集成電路都集成在一個芯片上。傳感器具有良好的精度、長期穩定性和超低功耗，適用于便攜式環境質量檢測儀進行溫度和濕度信息的測量。微控制器通過IIC協議，獲取SHT20傳感器采集的溫濕度數據。采集數據時，首先由微控制器通過IIC總線發送啟動時序，啟動SHT20傳感器功能并進行初始化。初始化完成后，微控制器分別發送溫度測量命令和濕度測量命令。在數據測量完成后，微控制器再發送數據讀取時序進行數據讀取。

2.2 PM2.5采集

本設計使用攀藤科技的PMS7003傳感器采集環境中的PM2.5濃度信息。該傳感器是一種體積小、數字式輸出的PM2.5傳感器。利用激光散射原理，將激光照射在空氣中的懸浮物上產生散射，同時在某一特定角度收集散射光，得到散射光強隨時間變化的曲線。其內部微處理器基于米氏理論的算法，得出顆粒物的等效粒徑及單位體積內不同粒徑的顆粒物數量。該傳感器最小分辨粒徑為0.3 μm，顆粒物質量濃度有效量程在(0～500)μg，通過5 V電壓供電。該傳感器通過串口通信輸出數據至主機，其輸出分為主動輸出和被動輸出兩種狀態。傳感器上電后默認狀態為主動輸出，即傳感器主動向主機發送串行數據，時間間隔為200～800 ms，空氣中顆粒物濃度越高，時間間隔越短。主動輸出又分為兩種模式：平穩模式和快速模式。在空氣中顆粒物濃度變化較小時，傳感器輸出為平穩模式，即每三次輸出同樣的一組數值，實際數據更新周期約為2 s。當空氣中顆粒物濃度變化較大時，傳感器輸出自動切換為快速模式，每次輸出都是新的數值，實際數據更新周期為200～800 ms。

2.3 環境噪聲采集

環境噪聲采集使用seeed公司生產的Grove噪聲傳感器模塊。該模塊通過5 V電壓供電，噪聲測量范圍為-48～+66 dB，能夠檢測頻率范圍為50～2 000 Hz的噪聲值，測量精度能夠達到±3%。該噪聲模塊使用LM2904芯片將迷你麥克風采集噪聲時產生的電子信號進行放大，通過模數轉換將采集到的模擬值轉換為數字值。主控制器通過該噪聲模塊進行環境噪聲采集。環境噪聲采集流程如圖3所示。

圖3 環境噪聲采集流程圖

2.4 甲醛與一氧化碳信息采集

甲醛和一氧化碳是室內常見的有毒有害氣體。因此，對這兩種氣體進行檢測，實時顯示氣體濃度和報警，對人體健康十分重要。甲醛濃度檢測采用ZE08-CH20傳感器。該傳感器通過5 V電壓供電，能在3 min內完成預熱并采集環境甲醛濃度，測量精度可達0.01×10-6。主控制器可通過串口通信方式獲取測量數據。一氧化碳傳感器采用BYC02-CO檢測模塊。該傳感器預熱時間小于2 min，檢測精度可達1×10-6，可通過串口通信方式完成數據交互。

由于甲醛和一氧化碳模塊均采用串口通信方式與STM32微處理器進行數據交互，因此兩種傳感器模塊進行氣體檢測時具有相似流程。在進行氣體濃度采集時，首先由微控制器進行串口初始化，然后打開串口并向氣體傳感器發送數據讀取命令。氣體傳感器接收到數據讀取命令后，采集環境中的氣體濃度數據，然后通過串口發送測量值到微控制器。當檢測到環境中兩種氣體濃度高于設定值時，微處理器控制蜂鳴器發出報警信息。

3 試驗結果及分析

本節通過實際環境測試驗證便攜式環境測量檢測儀的功能是否完善。本系統軟件設計采用KEILMDK-ARM編譯環境，主要有超標報警、串口屏顯示和藍牙無線傳輸等功能。系統工作流程如圖4所示。

圖4 系統工作流程圖

溫度變化波形如圖5所示。

圖5 溫度變化波形圖

通過與商用高精度溫濕度計、噪聲儀、一氧化碳和甲醛檢測儀和PM2.5測試儀進行校對，結果表明，該系統工作穩定，測量誤差能夠滿足一般家居環境檢測要求。當環境發生變化時，用戶可以實時觀察到顯示器上環境信息數據的變化，系統對超過人體耐受范圍的環境異常數據發出報警提示。

為保存測量數據，對歷史數據進行查詢，所設計的便攜式環境質量監測儀可通過GPRS通信上傳測量數據至云服務器。遠程的監測客戶端從云服務器獲取測量數據，并可通過波形圖顯示環境數據的變化情況。

從波形圖可以看出，所記錄的溫度在夜間0點到7點左右處于比較平穩的狀態，7點以后氣溫開始上升，到中午11點左右達到最高，之后溫度開始下降直到下午2點左右。經歷了短暫的上升后，從下午4點開始溫度開始一直下降。在整天的溫濕度變化中，濕度隨著溫度的上升而下降，溫度逐漸降低后，濕度又開始回升，在夜晚達到高濕度的狀態。由此可見，利用便攜式環境質量監測儀測得的溫濕度數據能夠反映實際的溫濕度變化情況。因此，通過保存這些測量數據，能夠實現對實際環境質量的長時間監測，并分析環境質量變化的情況。

4 結論

健康安全一直是人們關注的話題。固定環境檢測站的數據往往只代表某個城市或某個較大區域的一般情況，不能滿足現實生活中的全部實際需求，特別是個人家居環境或辦公室環境。本設計綜合運用傳感器技術和嵌入式技術，設計并制作了便攜式環境監測儀，完成了溫濕度、一氧化碳、甲醛、噪聲和PM2.5等環境信息的測量和監控。測試結果表明，該系統運行穩定，能夠及時反映各種環境信息的變化，在某種環境信息超過人體耐受范圍時可及時報警。數據顯示及連接手機等功能完善，實現了多種環境信息的便捷式測量，具有較高的實用性和市場價值。