基于STM32 的环境监测系统设计

肖鑫海 王庭有

（昆明理工大学机电工程学院）

随着工业化引起环境恶化，人们对环境问题关注密切［1］。 传统的环境监测往往是针对某一个地区范围进行监测，对于室内、工厂等较小的空间范围并不能及时进行监测［2，3］。为使人们能够及时了解周围环境质量，各类环境监测系统应运而生。 采用以单片机为核心、多路传感器并用的新型环境监测系统设计方案相继被提出。 这类监测系统相比于传统监测设备更加轻便， 实效性更好，也能运用到各种场所，满足人们日常生活需要，同时也使环境监测变得更为智能化［4～7］。

笔者提出一款便携式环境监测系统的设计方案，采用嵌入式系统与传感器实现对周围环境参数的数据采集与显示。 同时，设定好环境参数的安全范围，当环境参数不在此范围内时，系统能够及时发出警示，并实现远程数据传输与报警功能。

1 系统总体设计

为提高系统的可视化程度与可移植性能，采用 模 块 化 设 计。 如 图1 所 示， 系 统 由STM32F103C8T6主控芯片、DHT11温湿度传感器模块、 串口程序下载模块、YH-GP2Y烟雾传感器模块、电源模块、独立按键模块、OLED显示模块、LED警示灯模块和GSM无线通信模块组成。 系统以传感器及独立按键作为系统输入，经过主控芯片进行数据处理与逻辑运算， 将环境参数通过OLED屏显示并通过GSM模块实现远程数据传输。

图1 系统整体结构框图

2 系统硬件设计

2.1 主控电路

系统以STM32F103C8T6作为主控芯片，外接8 MHz晶振作为系统主频来源。 主控设计中加入了LED灯，用作系统监测时报警。 同时，加入独立按键，用于修改远程通信对象和系统复位［8］。主控电路如图2所示。

图2 主控电路

2.2 传感器选型与电路

温湿度信息是设计的一个重要输入数据。 测量温度和湿度的传感器有很多种，为简化电路设计，选取传感器DHT11，可同时测量温湿度信号，通过配置可直接输出数字信号，再由主控芯片读取后进行数据处理，便可得到环境温湿度。 温湿度传感电路如图3所示。

图3 温湿度传感电路

PM2.5信息是本设计中的另一个重要参数。在本设计中，选取YH-GP2Y烟雾传感器模块［9］。将传感器3脚通过三极管接入系统主控芯片的PA4脚，通过系统主控芯片的输出配置，可使传感器5脚输出一个电压模拟信号，再将该引脚接入系统主控芯片PA5脚， 从而实现系统对传感器数据的读取。 烟雾传感电路如图4所示。

图4 烟雾传感电路

2.3 GSM模块电路

在本设计中， 采用了以SIM800C为核心处理芯片的GSM无线通信模块， 模块引出引脚TX和RX，经过电平自适应电路分别接到系统主控芯片中的PA2和PA3脚，再通过系统主控芯片发送AT指令+所需传送的数据信息，实现了与主控芯片的异步串口通信［10］。 GSM模块电路如图5所示。

图5 GSM模块电路

2.4 显示模块电路

本设计选取I2C通信OLED显示屏， 其数据线和时钟线分别接到主控芯片的I2C接口，通过软件配置，可以实现对主控芯片处理后的数据信息进行显示。 另需注意的是，采用I2C通信应在其数据线和时钟线上再接上2 kΩ的上拉电阻。

3 系统软件设计

本设计程序开发环境为KEIL-MDK。

系统开始先对各个模块进行初始化，包括传感器初始化配置， 按键模块初始化，GSM模块初始化以及显示屏OLED的初始化。 初始化后，通过按键扫描子程序实现对系统远程通信对象的修改。 此后开始数据采集，温湿度传感器读取的是数字量信号， 烟雾传感器读取的是模拟量信号。采集到的数据经过主控芯片进行数据处理，得到实际环境参数，然后与设定值进行比较，若超出设定值，则触发灯光报警同时向远程通信对象发送信息。 最后实际环境参数数据会在显示屏上显示。 通过不断循环上述过程，达到对目标周围环境的实时监测。 主程序流程如图6所示。

图6 主程序流程

4 系统测试

根据设计好的电路，经过PCB打板，以及实物的焊接制作后，对系统进行测试。 系统测试如图7所示。 显示屏由上到下依次为PM2.5浓度、环境湿度、环境温度和时间。 通过改变环境，系统也能较好地检测出周围的环境状况。 经测试，该系统可以完成对环境相关参数的实时监测，并且反应速度快，能够实现当环境参数超过设定安全值时的灯光报警与向远程通信目标发送信息的功能。

图7 系统测试图

5 结束语

笔者设计了基于STM32F103C8T6芯片的环境监测系统，选用的检测传感器可以直接输出所需数字量与模拟量，简化了电路，可靠性高，功耗也较小。 系统采用模块化设计，提高了其可视化与移植性，采用集成化电路制作，使系统较为小巧，方便携带。 相对于传统的地域性的环境检测，该系统可以在室内、 工厂等小范围内对周围环境进行实时监测。 此外，系统设计采用的GSM模块无线通信，实现了远程数据接收与监测。 经过测试，该系统可以运用在实际中，以满足人们对周围环境监测的需求。