基于STM32的便携式环境质量监测仪设计

邵延华，罗燕杨，楚红雨，饶云波

(1.西南科技大学信息工程学院，四川 绵阳 621000； 2.电子科技大学信息与软件工程学院,四川 成都 610054)

0 引言

随着现代科技的进步，人民生活水平日益提高，追求绿色健康生活的意识也在逐年提升。但随着经济增长及工业化水平的提高，环境污染种类和程度逐年增长[1]。近年来，我国属环境污染的重灾区，不仅对植物、动物以及天气等产生不可估计的后果，而且会对人体产生严重的危害[2]。即使大气中污染物浓度不高，人体长年累月呼吸污染过的空气，也会引起慢性支气管炎、支气管哮喘、肺气肿及肺癌等各类疾病[3]。

当前“甲醛门”事件引起人们的广泛关注：许多出租房环境自检不达准，其中甲醛浓度严重超标[4]。因此，监测环境中的甲醛浓度尤为重要。除了甲醛、一氧化碳这些空气污染源以外，环境噪声也会对人体健康造成极大危害。

PM2.5对人体有严重的危害，被单独列为环境中的一级致癌物。国际环保组织绿色和平2018年发布的《2017年中国365个城市PM2.5浓度排名》数据显示，2017年，全国356个城市中有256个城市的PM2.5年均浓度超出国家二级标准(35 μg/m3)，占总数的70.1%。因此，对环境中PM2.5浓度进行监测是必不可少的[5]。尽管我国建立了环境质量实时发布平台，但由于发布平台所发布的数据均为全国市级以上的城市，因此这些数据对中小城市特定区域或农村参考价值较小。

针对环境质量监测的重要性，业界提出了多种环境质量监测方法，对环境质量进行监测。文献[6]利用单总线技术，设计了建筑物内空气质量数据采集控制器。文献[7]利用无线网络技术，实现了对农田环境信息的采集，有效解决了农田环境信息采集中存在的环境复杂多变且供电布线困难的问题。文献[8]利用基于窄带物联网(narrow band internet of things,NBIoT)技术的仓储环境远程监控系统，实现了数据的远程采集并进行实时控制，同时保证了较低功耗。文献[9]利用远距离无线电(long range radio,LoRa)技术，设计了煤矿作业环境的实时监测系统，有效解决了煤矿环境下环境监测设备安装困难的问题，提高了监测系统的可靠性。虽然环境信息监测的解决方案众多，但是大多基于固定的场景，监测装置的安装位置固定，不便移动，在监测位置不固定的情况下使用会具有一定的局限性，因此需要设计一种便于携带和读数的环境监测系统。

基于嵌入式技术[10-12]和传感器技术[11-12]，设计一个针对环境中的温湿度、PM2.5、噪声、甲醛以及一氧化碳等数据进行实时监测的便携式环境监测仪系统。系统能够及时、准确以及全面地反映人们身边的环境质量。系统不但可以将相关信息显示到液晶显示器(liquid crystal display,LCD)上，还可以通过通用分组无线业务(general packet radio service,GPRS)通信上传到云服务器，用户可以通过远程监控客户端查询环境信息数据并观察变化情况。实际测试结果表明，该系统性能稳定可靠，满足环境监测需求，具有较好的应用前景。

1 环境质量监测仪系统设计

环境监测仪的系统设计主要包括整体系统设计、监测仪最小系统和外壳设计，接下来分别进行阐述。

1.1 整体系统设计

系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

以微控制器作为核心的主控系统是整个系统的工作核心，负责获取各个传感器所采集的信息、数据的转化和处理、显示和报警等功能。采集到的传感器数据可通过显示模块直接显示，也可以通过无线传输模块上传数据至云服务器。电源模块给整体供电。显示屏使用广州大彩科技的带触摸功能的工业串口屏。该显示屏用于实时显示各种环境数据。

1.2 硬件系统设计

本系统采用意法半导体的STM32ZET6芯片作为微处理器。该款芯片具有串行外设接口(serial peripheral interface,SPI)，通用异步收发传输器(universal asynchronous receiver/transmitter,UART)和二线制同步串行总线(inter-integrated circuit,IIC)等硬件接口，且外设丰富，Flash容量较大，可以满足监测系统中采集单元控制和通信的需求。STM32F103ZET6最小系统结构如图2所示。

图2 STM32F103ZET6最小系统结构图

其中，启动模式选择电路可以让用户自主选择STM32的启动方式，一般包括用户闪存存储器、系统存储器和静态存储器启动三种方式。在下载代码前需完成对STM32启动方式的设置。串行调式电路用于仿真调试。另外，限于篇幅，对较基础及常见的复位电路和时钟电路不再展开介绍。

1.3 监测仪外壳设计

作为实用的嵌入式设备，外壳对于保护内部电路和传感器具有一定的作用。另外，在设计时需要根据传感器的测量要求注意一些特定问题。例如：为了保证监测环境中噪声值的准确性，考虑在噪声模块探头处打孔，使监测结果更准确。便携式环境监测仪外壳采用Pro Engineer(Pro/E)软件进行设计，借助3D打印机完成制作。

2 数据采集系统设计

环境数据采集是环境监测仪的核心功能，通过各种环境传感器对环境数据进行采集，利用微控制器获取传感器信息并显示。本节分别对温湿度、PM2.5、环境噪声、一氧化碳和甲醛等采集模块进行设计和分析。

2.1 温湿度信息采集

温湿度是主要的环境信息之一。本设计采用Sensirion公司的SHT20温湿度传感器获取温湿度数据。该传感器采用2.1～3.6 V的电压供电，测温范围为-40～+125 ℃，精度误差为±0.3 ℃，湿度测量范围为0%RH～100%RH，精度为±1%RH。该传感器将电容式湿度传感器、带隙温度传感器和专用模拟和数字集成电路都集成在一个芯片上。传感器具有良好的精度、长期稳定性和超低功耗，适用于便携式环境质量检测仪进行温度和湿度信息的测量。微控制器通过IIC协议，获取SHT20传感器采集的温湿度数据。采集数据时，首先由微控制器通过IIC总线发送启动时序，启动SHT20传感器功能并进行初始化。初始化完成后，微控制器分别发送温度测量命令和湿度测量命令。在数据测量完成后，微控制器再发送数据读取时序进行数据读取。

2.2 PM2.5采集

本设计使用攀藤科技的PMS7003传感器采集环境中的PM2.5浓度信息。该传感器是一种体积小、数字式输出的PM2.5传感器。利用激光散射原理，将激光照射在空气中的悬浮物上产生散射，同时在某一特定角度收集散射光，得到散射光强随时间变化的曲线。其内部微处理器基于米氏理论的算法，得出颗粒物的等效粒径及单位体积内不同粒径的颗粒物数量。该传感器最小分辨粒径为0.3 μm，颗粒物质量浓度有效量程在(0～500)μg，通过5 V电压供电。该传感器通过串口通信输出数据至主机，其输出分为主动输出和被动输出两种状态。传感器上电后默认状态为主动输出，即传感器主动向主机发送串行数据，时间间隔为200～800 ms，空气中颗粒物浓度越高，时间间隔越短。主动输出又分为两种模式：平稳模式和快速模式。在空气中颗粒物浓度变化较小时，传感器输出为平稳模式，即每三次输出同样的一组数值，实际数据更新周期约为2 s。当空气中颗粒物浓度变化较大时，传感器输出自动切换为快速模式，每次输出都是新的数值，实际数据更新周期为200～800 ms。

2.3 环境噪声采集

环境噪声采集使用seeed公司生产的Grove噪声传感器模块。该模块通过5 V电压供电，噪声测量范围为-48～+66 dB，能够检测频率范围为50～2 000 Hz的噪声值，测量精度能够达到±3%。该噪声模块使用LM2904芯片将迷你麦克风采集噪声时产生的电子信号进行放大，通过模数转换将采集到的模拟值转换为数字值。主控制器通过该噪声模块进行环境噪声采集。环境噪声采集流程如图3所示。

图3 环境噪声采集流程图

2.4 甲醛与一氧化碳信息采集

甲醛和一氧化碳是室内常见的有毒有害气体。因此，对这两种气体进行检测，实时显示气体浓度和报警，对人体健康十分重要。甲醛浓度检测采用ZE08-CH20传感器。该传感器通过5 V电压供电，能在3 min内完成预热并采集环境甲醛浓度，测量精度可达0.01×10-6。主控制器可通过串口通信方式获取测量数据。一氧化碳传感器采用BYC02-CO检测模块。该传感器预热时间小于2 min，检测精度可达1×10-6，可通过串口通信方式完成数据交互。

由于甲醛和一氧化碳模块均采用串口通信方式与STM32微处理器进行数据交互，因此两种传感器模块进行气体检测时具有相似流程。在进行气体浓度采集时，首先由微控制器进行串口初始化，然后打开串口并向气体传感器发送数据读取命令。气体传感器接收到数据读取命令后，采集环境中的气体浓度数据，然后通过串口发送测量值到微控制器。当检测到环境中两种气体浓度高于设定值时，微处理器控制蜂鸣器发出报警信息。

3 试验结果及分析

本节通过实际环境测试验证便携式环境测量检测仪的功能是否完善。本系统软件设计采用KEILMDK-ARM编译环境，主要有超标报警、串口屏显示和蓝牙无线传输等功能。系统工作流程如图4所示。

图4 系统工作流程图

温度变化波形如图5所示。

图5 温度变化波形图

通过与商用高精度温湿度计、噪声仪、一氧化碳和甲醛检测仪和PM2.5测试仪进行校对，结果表明，该系统工作稳定，测量误差能够满足一般家居环境检测要求。当环境发生变化时，用户可以实时观察到显示器上环境信息数据的变化，系统对超过人体耐受范围的环境异常数据发出报警提示。

为保存测量数据，对历史数据进行查询，所设计的便携式环境质量监测仪可通过GPRS通信上传测量数据至云服务器。远程的监测客户端从云服务器获取测量数据，并可通过波形图显示环境数据的变化情况。

从波形图可以看出，所记录的温度在夜间0点到7点左右处于比较平稳的状态，7点以后气温开始上升，到中午11点左右达到最高，之后温度开始下降直到下午2点左右。经历了短暂的上升后，从下午4点开始温度开始一直下降。在整天的温湿度变化中，湿度随着温度的上升而下降，温度逐渐降低后，湿度又开始回升，在夜晚达到高湿度的状态。由此可见，利用便携式环境质量监测仪测得的温湿度数据能够反映实际的温湿度变化情况。因此，通过保存这些测量数据，能够实现对实际环境质量的长时间监测，并分析环境质量变化的情况。

4 结论

健康安全一直是人们关注的话题。固定环境检测站的数据往往只代表某个城市或某个较大区域的一般情况，不能满足现实生活中的全部实际需求，特别是个人家居环境或办公室环境。本设计综合运用传感器技术和嵌入式技术，设计并制作了便携式环境监测仪，完成了温湿度、一氧化碳、甲醛、噪声和PM2.5等环境信息的测量和监控。测试结果表明，该系统运行稳定，能够及时反映各种环境信息的变化，在某种环境信息超过人体耐受范围时可及时报警。数据显示及连接手机等功能完善，实现了多种环境信息的便捷式测量，具有较高的实用性和市场价值。