基于STM32F4和小波變換的智能環(huán)境輻射監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘" 要：該文主要研究并實(shí)現(xiàn)一種基于STM32F4微控制器和小波變換的智能環(huán)境輻射監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32F4作為核心微控制器，具備高性能、低功耗和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，并配備其他低功耗傳感器以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。通過小波變換技術(shù)，對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行去噪和特征提取，能夠有效濾除噪聲并提取有用信息。處理后的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在串口屏上，同時(shí)利用無線通信模塊實(shí)現(xiàn)與ThingsCloud云平臺(tái)的遠(yuǎn)程交互。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；STM32F4；G-M計(jì)數(shù)管；輻射監(jiān)測；MQTT協(xié)議；小波變換

中圖分類號(hào)：TP368" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）09-0046-04

Abstract： This paper mainly studies and implements an intelligent environmental radiation monitoring system based on STM32F4 microcontroller and wavelet transform. The system uses STM32F4 as the core microcontroller， which has the advantages of high performance， low power consumption and high reliability， and is equipped with other low-power sensors to achieve real-time data collection. Through wavelet transform technology， the collected signals are denoised and feature extracted， which can effectively filter out noise and extract useful information. The processed data is displayed on the serial port screen in real time， and remote interaction with the ThingsCloud platform is realized using a wireless communication module.

Keywords： Internet of Things; STM32F4; G-M counter; radiation monitoring; MQTT protocol; wavelet transform

隨著科技發(fā)展和生活水平提高，環(huán)境安全問題日益受到關(guān)注。輻射監(jiān)測是環(huán)境保護(hù)的重要部分，對(duì)保障健康和生態(tài)平衡至關(guān)重要。傳統(tǒng)輻射監(jiān)測系統(tǒng)常因數(shù)據(jù)處理慢、實(shí)時(shí)性差而難以滿足現(xiàn)代社會(huì)的高標(biāo)準(zhǔn)需求。

為了解決這些問題，本文提出了一種基于STM32F4微控制器和小波變換技術(shù)的智能環(huán)境輻射監(jiān)測系統(tǒng)。STM32F4作為一種高性能的嵌入式微控制器，具有強(qiáng)大的計(jì)算能力和豐富的外設(shè)接口，能夠高效處理輻射數(shù)據(jù)。而小波變換技術(shù)則在信號(hào)處理領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，能夠有效地提取信號(hào)特征、去除噪聲，從而提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

1" 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，該系統(tǒng)由STM32F4單片機(jī)系統(tǒng)模塊、輻射及環(huán)境監(jiān)測模塊、無線通信模塊、供電模塊和用戶交互顯示模塊5大核心部分組成。STM32F4微控制器通過相應(yīng)的通信協(xié)議與各個(gè)傳感器進(jìn)行通信，并采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。在經(jīng)過小波分析去噪處理后，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在HMI串口屏的交互界面上。此外，STM32F4微控制器通過USART通信與ESP8266 Wi-Fi模塊連接，實(shí)現(xiàn)與ThingsCloud物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸。手機(jī)端應(yīng)用則通過MQTT通信協(xié)議獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程交互功能。

2" 軟件及算法設(shè)計(jì)

2.1" 時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法

時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法[1]的基本原理是將CPU時(shí)間劃分為固定長度的時(shí)間片，并輪流分配給各個(gè)任務(wù)。在輻射監(jiān)測系統(tǒng)中，多個(gè)模塊如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和用戶界面等需要同時(shí)運(yùn)行，該算法確保各模塊在時(shí)間上的公平性，避免某模塊長時(shí)間占用CPU導(dǎo)致其他模塊響應(yīng)延遲。

系統(tǒng)首先將不同任務(wù)根據(jù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行分組，并為每個(gè)任務(wù)分配一定的時(shí)間片。在每個(gè)時(shí)間片內(nèi)，任務(wù)會(huì)執(zhí)行預(yù)定的操作，如獲取傳感器數(shù)據(jù)、進(jìn)行小波變換處理或更新用戶界面等。一旦一個(gè)時(shí)間片結(jié)束，調(diào)度器就會(huì)切換到下一個(gè)任務(wù)，確保系統(tǒng)能夠高效、穩(wěn)定地運(yùn)行。此外，時(shí)間片的長度也需要根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求和任務(wù)的處理復(fù)雜度進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到最佳的性能平衡，圖2為系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度程序流程。

2.2" 小波變換去噪

由于環(huán)境噪聲和傳感器本身的限制，采集到的傳感器數(shù)據(jù)常常受到干擾，導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量下降。本系統(tǒng)引入小波變換去噪技術(shù)[2]，以提高數(shù)據(jù)處理的精度和有效性。

在MATLAB軟件中，進(jìn)行了單級(jí)離散一維小波變換去噪的仿真測試[3]。首先，使用“dwt”函數(shù)中的“db1”小波對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行分解，并重構(gòu)信號(hào)的小波系數(shù)。然后，使用小波逆變換重構(gòu)信號(hào)并計(jì)算相對(duì)誤差。此外，使用小波“db1”對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波分解，提取各尺度下的近似系數(shù)和細(xì)節(jié)系數(shù)，并重構(gòu)各尺度下的小波系數(shù)，最終重構(gòu)信號(hào)并計(jì)算誤差。隨著分解尺度的增加，近似分量中的噪聲逐漸減少，高頻信息被有效濾除，從而實(shí)現(xiàn)了信號(hào)去噪的效果，圖3為除噪前后信號(hào)對(duì)比示意圖。

3" 主要硬件設(shè)計(jì)

3.1" 硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)如圖4所示，供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用12 V太陽能充電蓄電池，通過設(shè)計(jì)的降壓電路進(jìn)行電壓調(diào)整后，均勻分配至系統(tǒng)各模塊，從而保障了供電的穩(wěn)定性和可靠性。STM32F4微控制器[4]利用AD轉(zhuǎn)換功能及ONE-WIRE單總線通信協(xié)議，高效地采集空氣質(zhì)量和溫濕度數(shù)據(jù)。針對(duì)G-M計(jì)數(shù)管驅(qū)動(dòng)電路輸出的輻射信號(hào)，微控制器通過TIM5的輸入捕獲模式進(jìn)行信號(hào)處理，經(jīng)過小波變換進(jìn)行去噪處理，實(shí)現(xiàn)下降沿計(jì)數(shù)，進(jìn)而準(zhǔn)確計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)的輻射劑量。此外，STM32F4微控制器借助USART串口通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)與HMI串口屏及ESP8266 Wi-Fi模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸和用戶交互。

3.2" 降壓模塊設(shè)計(jì)

針對(duì)本系統(tǒng)的供電需求，本文設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一款基于LM2596芯片的降壓模塊。該模塊具備將7～12 V的輸入電壓高效穩(wěn)定地轉(zhuǎn)換為5 V和3.3 V輸出電壓的能力。在12 V輸入電壓條件下，模塊轉(zhuǎn)換為5 V輸出時(shí)的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到96%，而在相同輸入電壓下轉(zhuǎn)換為3.3 V輸出時(shí)，效率同樣維持在92%。這一性能指標(biāo)確保了系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性與可靠性，為整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供保障。

3.3" G-M計(jì)數(shù)管驅(qū)動(dòng)電路模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用了G-M計(jì)數(shù)管作為探測器[5-6]，型號(hào)為J305βγ，其坪區(qū)電壓范圍介于360～400 V之間，建議的最佳工作電壓為380 V，而最大極限電壓為550 V。在驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)上，利用NE555定時(shí)器芯片構(gòu)建了一個(gè)電路，用以生成諧振脈沖。這些脈沖經(jīng)過二極管整流后，對(duì)電容器充電至電源電壓水平。隨后，通過三極管配合滑動(dòng)變阻器進(jìn)行調(diào)節(jié)和放大，從而實(shí)現(xiàn)G-M計(jì)數(shù)管所需的工作電壓，圖5為G-M計(jì)數(shù)管驅(qū)動(dòng)電路。

3.4" 信號(hào)處理電路模塊設(shè)計(jì)

圖6為信號(hào)處理電路模塊設(shè)計(jì)電路圖。在G-M計(jì)數(shù)管未檢測到放射性粒子的情況下，三極管Q4處于截止模式，此時(shí)電阻R17作為上拉電阻，導(dǎo)致輸出端維持3.3 V的直流電平。一旦G-M計(jì)數(shù)管受到放射性粒子的作用，其內(nèi)部電場促使粒子與惰性氣體分子相撞，引發(fā)電離作用，進(jìn)而產(chǎn)生雪崩效應(yīng)并形成電流脈沖。這一過程使得三極管Q4導(dǎo)通，輸出信號(hào)隨之降低，形成一個(gè)下降沿。通過對(duì)單位時(shí)間內(nèi)下降沿?cái)?shù)量的統(tǒng)計(jì)并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，能夠獲取到輻射強(qiáng)度的相關(guān)信息。

3.5" Wi-Fi通信模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用了ESP8266 Wi-Fi模塊作為中介，以便與ThingsCloud物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)建立通信連接。該模塊內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，能夠通過串行接口與外部設(shè)備進(jìn)行聯(lián)接和交流。在與STM32F4系列微控制器通信時(shí)，選擇了串行通信協(xié)議。具體來說，ESP8266模塊利用USART（通用串行異步接收/發(fā)送）接口與STM32F4進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。在硬件連接方面，VCC引腳接入了5 V電源以供電，而串行通信則通過RXD和TXD引腳與STM32F103C8T6微控制器的PB11和PB10引腳對(duì)接。完成連接后，使用AT指令對(duì)通信參數(shù)進(jìn)行了配置，設(shè)定波特率為115 200，數(shù)據(jù)位為8位，停止位為1位，且無校驗(yàn)位，以此保障數(shù)據(jù)傳輸和接收的準(zhǔn)確性。

4" 系統(tǒng)測試與展示

為了檢驗(yàn)G-M計(jì)數(shù)管驅(qū)動(dòng)電路模塊的性能并觀測輸出脈沖信號(hào)的波形特征，采用示波器來捕捉脈沖信號(hào)的下降沿。圖7為脈沖信號(hào)波形圖（未去噪）。通過分析輸出信號(hào)的特性，可以觀察到信號(hào)中夾雜著一定的噪聲。經(jīng)過小波變換進(jìn)行去噪處理后，能夠提取出更為清晰的脈沖信號(hào)，圖8為脈沖信號(hào)波形圖（已去噪）。

通過實(shí)際應(yīng)用和測試，本系統(tǒng)系統(tǒng)充分利用了STM32F4的高性能計(jì)算能力和豐富外設(shè)接口，以及小波變換在信號(hào)處理中的優(yōu)勢，有效解決了傳統(tǒng)輻射監(jiān)測系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理速度和實(shí)時(shí)性方面的不足，在環(huán)境輻射監(jiān)測方面表現(xiàn)出較高的準(zhǔn)確性和可靠性，能夠?qū)崟r(shí)、快速地處理輻射數(shù)據(jù)，為環(huán)境保護(hù)和人民健康提供了有力保障，圖9為Android APP以及系統(tǒng)實(shí)物。

參考文獻(xiàn)：

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