基于STM32的火電廠空氣質量無線監(jiān)測系統(tǒng)設計

慕燈聰 李崢 朱旋

摘 要：設計一款基于STM32的火電廠空氣質量無線監(jiān)測系統(tǒng).系統(tǒng)通過激光式PM2.5傳感器和溫濕度傳感器，采集火電廠空氣中PM2.5和溫濕度的值，采用網(wǎng)絡分區(qū)法將數(shù)據(jù)上傳給數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點，再由匯聚節(jié)點上傳給PC.綜合測試結果表明，該系統(tǒng)能夠準確、實時顯示火電廠周圍區(qū)域的空氣質量參數(shù)，可長時間穩(wěn)定工作，具有廣泛的應用前景.

關鍵詞：火電廠;空氣質量;PM2.5傳感器;STM32

[中圖分類號]TN915.85 ? [文獻標志碼]A

Abstract：A wireless monitoring system for air quality in thermal power plants based on STM32 is proposed in this paper.The system can collect the value of PM2.5，temperature and humidity of the environment by using the laser sensor PM2.5，temperature and humidity sensor.The network partition method is used to upload the data to sink nodes，then the sink nodes upload the data to PC.After the test，The system can accurately and real-time display the air quality parameters around the thermal power plant，work stably for a long time and has a wide application prospect.

Key words：thermal power plants;air quality;PM2.5 sensor;STM32

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源消耗不斷加大，空氣污染日益加重.火電廠在煤炭消耗中占有較大的比重，是空氣污染的主要來源之一.[1-2]傳統(tǒng)火電廠空氣質量監(jiān)測多為有線監(jiān)測，存在布線難、成本高及維護困難等問題，已無法滿足火電廠復雜多變的環(huán)境.因此，設計新的火電廠空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)具有十分重要的意義.筆者設計一款基于STM32的火電廠空氣質量無線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用分布式監(jiān)測的方法，利用單片機采集傳感器數(shù)據(jù)得到空氣質量參數(shù)，再利用LORA通信技術將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒掌髦写鎯Α⒎治?，準確、實時顯示火電廠周圍區(qū)域的空氣質量參數(shù).

1 系統(tǒng)硬件設計

整體系統(tǒng)分為兩個部分：數(shù)據(jù)采集節(jié)點和數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點.數(shù)據(jù)采集節(jié)點系統(tǒng)以STM32單片機為控制芯片，構成主控模塊，主要完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理分析，協(xié)調各功能模塊之間的調度.系統(tǒng)的運行機制：上電復位以后，傳感器模塊對火電廠某位置的空氣質量參數(shù)進行采集，檢測溫度、濕度、PM2.5濃度和PM10濃度.溫濕度由AM23XX單總線數(shù)字式傳感器采集，PM2.5濃度值由SDS021粉塵傳感器完成.通過LORA無線通信的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點將數(shù)據(jù)上傳至電腦上位機.數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點以STM32單片機為控制芯片構成主控模塊，結合LORA無線通信方式接收由數(shù)據(jù)采集節(jié)點傳輸上來的數(shù)據(jù)，通過串口將數(shù)據(jù)上傳至PC端，從而實現(xiàn)對火電廠周圍空氣質量的監(jiān)測.

1.1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點設計

系統(tǒng)選用STM32F103CBT6單片機作為主控芯片.主控模塊作為整個系統(tǒng)運行的控制中樞，完成整個系統(tǒng)各功能模塊的協(xié)調調度.首先，根據(jù)數(shù)字溫濕度傳感器特有的數(shù)據(jù)傳輸機制建立通信時序，完成與溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)通信.其次，由于SDS021粉塵傳感器內部已集成好數(shù)據(jù)處理并通過串口輸出，所以和STM32進行串口通信即可.通信采用SX1278芯片的LORA通信技術將數(shù)據(jù)發(fā)送給采集終端，采用LORA通信模塊與STM32通信串口的方式.軟件編程：STM32單片機自帶專門的函數(shù)庫，可直接調用相應 API（Application Program Interface）來配置STM32寄存器，實現(xiàn)編程.

1.2 傳感器數(shù)據(jù)采集電路設計

傳感器模塊主要完成對室內空氣溫濕度及PM2.5濃度值的實時監(jiān)測.AM23XX數(shù)字溫濕度傳感器內部集成了A/D轉換功能，可直接將檢測到的模擬量轉化為數(shù)字量與STM32進行數(shù)據(jù)通信.[3-4]PM2.5濃度值通過串口輸出為數(shù)字量，可直接采用串口通信讀取數(shù)據(jù).

數(shù)字溫濕度傳感器 采用型號為AM2302的溫敏電容數(shù)字溫濕度傳感器，單總線接口具有超小體積、極低功耗、傳輸距離可達20米以上的特點.數(shù)據(jù)總線SDA為三態(tài)結構，按照單總線通信協(xié)議讀寫傳感器數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)總線與STM32的PA1端口相連，如圖1所示.

粉塵傳感器 粉塵傳感器SDS021采用5 V直流電壓供電，激光散射原理，能同時測量空氣中的PM2.5和PM10濃度.數(shù)據(jù)輸出采用標準的串口通訊協(xié)議，響應時間為1 s，能很快穩(wěn)定的工作，與STM32通過串口2連接，如圖2所示.

1.3 LORA通信模塊與網(wǎng)絡拓撲設計

LORA是近年來興起的LPWAN無線通訊技術之一，具有自組網(wǎng)、低功耗和節(jié)點增加等優(yōu)點，非常適合該系統(tǒng)的使用.[5]本設計采用基于SX1278射頻芯片的E32-TTL-100無線串口LORA模塊，該LORA模塊自帶處理器，已經(jīng)移植LORA無線通信協(xié)議.與STM32的串口1（PA9，

PA10）相連，透明傳輸，大大簡化了程序的復雜度.設計將一個區(qū)域的LORA網(wǎng)絡分成若干網(wǎng)絡，依次降低通信鏈路的開銷.對網(wǎng)絡進行分區(qū)之后，設置成不同的頻道，同系統(tǒng)同區(qū)域內的匯聚節(jié)點和采集節(jié)點處于相同的頻道，節(jié)點上電即加入網(wǎng)絡.采用這種網(wǎng)絡分區(qū)，可有效降低誤碼率，增強網(wǎng)絡的穩(wěn)定性.