黨嬋娟

摘要：傳統(tǒng)的手持環(huán)境監(jiān)測設(shè)備無法檢測空間狹小、位置險要等地的環(huán)境，具有空間局限性，為了克服該缺點，提出了基于STM32的智能環(huán)境監(jiān)測小車的設(shè)計。小車以STM32微控制器為核心，控制其運動系統(tǒng)和環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了小車的行駛、自動避障、溫濕度監(jiān)測、光照強(qiáng)度監(jiān)測、有害氣體濃度監(jiān)測、藍(lán)牙和Wi-Fi通信等主要功能，監(jiān)測范圍廣且監(jiān)測安全，具有較高的實用價值。

【關(guān)鍵詞】環(huán)境監(jiān)測 小車 空間

1 引言

環(huán)境與人的生存息息相關(guān)，舒適的生活環(huán)境是人類健康、安全的重要保障。環(huán)境不會永遠(yuǎn)處于一個穩(wěn)定、適宜的狀態(tài)，它容易受各種因素的影響而發(fā)生改變，因此需要利用環(huán)境監(jiān)測設(shè)備去采集生活環(huán)境中的諸如光照強(qiáng)度、溫濕度、有害氣體濃度和可燃?xì)怏w濃度等數(shù)據(jù)，監(jiān)測這些指數(shù)是否適宜，以便在環(huán)境指數(shù)較差時能及時采取相應(yīng)的措施做出調(diào)節(jié)，避免造成更大的危害。但是在有些情況下，由于危險性、空間局限性等限制，人們無法手持設(shè)備去監(jiān)測環(huán)境，基于此本文提出了利用智能機(jī)器搭載環(huán)境監(jiān)測設(shè)備去收集環(huán)境數(shù)據(jù)，即基于STM32的智能環(huán)境監(jiān)測小車的設(shè)計。

2 環(huán)境監(jiān)測小車的總體設(shè)計及功能實現(xiàn)

本設(shè)計分為小車運動系統(tǒng)和環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兩個部分，兩個系統(tǒng)的處理器均采用STM32F103微控制器。其中小車運動系統(tǒng)包含藍(lán)牙、運動控制和自動避障行駛?cè)齻€模塊，環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括Wi-Fi模塊、光照監(jiān)測、溫濕度監(jiān)測以及有害氣體濃度監(jiān)測四個模塊。

小車運動系統(tǒng)通過藍(lán)牙模塊給STM32主控制器發(fā)送控制信號，主控制器發(fā)送PWM波給L298N電機(jī)驅(qū)動模塊，來控制小車運動的方向和速度，同時也利用舵機(jī)和超聲波的綜合特性來實現(xiàn)自動避障行駛。

環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由STM32主控制器通過串口與Wi-Fi模塊進(jìn)行通信，將光照監(jiān)測模塊、溫濕度監(jiān)測模塊以及有害氣體濃度監(jiān)測模塊采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)整理成報文，通過Wi-Fi模塊發(fā)送到手機(jī)客戶端顯示出來。

3 功能模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 小車運動系統(tǒng)

3.1.1 藍(lán)牙通信模塊

藍(lán)牙通信模塊是利用BLK-MD-BC04-B藍(lán)牙模塊和藍(lán)牙助手APP這兩部分實現(xiàn)的，藍(lán)牙模塊與STM32板的UART1相連，數(shù)據(jù)通過串口與藍(lán)牙模塊進(jìn)行傳輸。在與手機(jī)端助手連接成功后，手機(jī)端發(fā)送的指令會通過藍(lán)牙模塊接收，系統(tǒng)根據(jù)手機(jī)端發(fā)送過來的指令執(zhí)行相應(yīng)的動作，來控制小車的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向等，還可以控制小車運動的速度和啟動自動避障行駛功能。

3.1.2 運動控制模塊

運動控制模塊是由L298N驅(qū)動芯片和4個直流電機(jī)構(gòu)成的，STM32控制器輸出PWM波給L298N，通過PWM的輸入控制L298N上的兩個使能端的高低電平，進(jìn)而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)動速度，這樣就能實現(xiàn)小車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止，同時還能使小車加速和減速。

3.1.3 自動避障模塊

自動避障模塊是綜合利用超聲波測距模塊和舵機(jī)來實現(xiàn)自動避障的功能的，超聲波模塊在測距過程中向前方發(fā)送超聲波，然后系統(tǒng)接收發(fā)送出去的超聲波，利用發(fā)送和接收的時間差值就可計算出當(dāng)前小車與障礙物之間的距離；檢測到障礙物后，舵機(jī)則通過STM32主控輸出的PWM波來使舵機(jī)朝不同角度轉(zhuǎn)動，從而使小車避開障礙物行駛。

3.2 環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

3.2.1 Wi-Fi通信模塊

Wi-Fi通信模塊是由ESP8266串口和Wi-Fi通信助手APP這兩個部分構(gòu)成的，利用串口和Wi-Fi通信模塊來實現(xiàn)STM32主控板與手機(jī)APP的通信，由各種傳感器采集的環(huán)境數(shù)據(jù)傳送給STM32主控制器，再由STM32主控制器整合成一組報文，通過與USART2相連接的ESP8266串口Wi-Fi模塊發(fā)送到手機(jī)端的Wi-Fi通信助手APP上.實現(xiàn)主控板與手機(jī)端之間的交互，方便讀取，用戶能實時地了解所要監(jiān)測的環(huán)境數(shù)據(jù)。

3.2.2 溫濕度監(jiān)測模塊

溫濕度監(jiān)測模塊采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器對所要監(jiān)測環(huán)境的溫度、濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集。其內(nèi)置的己校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出保障了模塊具有強(qiáng)大的可靠性和極高的穩(wěn)定性，其校準(zhǔn)系數(shù)存儲在內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部通過調(diào)用這些校準(zhǔn)系統(tǒng)來檢測和處理溫濕度信號。溫濕度傳感器將收集到的溫度和濕度傳輸給STM32主控板，再通過字符轉(zhuǎn)換將這些環(huán)境數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換整理成報文發(fā)送出去，顯示在手機(jī)上。

3.2.3 光照監(jiān)測模塊

光照監(jiān)測模塊主要用于采集、監(jiān)測環(huán)境中的光照強(qiáng)度，該模塊采用BH1750FVI數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器集成電路，光照傳感器收集的環(huán)境數(shù)據(jù)通過I2C協(xié)議傳輸?shù)絊TM32主控板上，然后STM32主控板上把模塊收集的高八位光照數(shù)據(jù)和低八位光照數(shù)據(jù)合并得到實際的光照數(shù)據(jù)，再把得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成報文，通過串口、Wi-Fi模塊和手機(jī)APP，在手機(jī)上實時顯示光照數(shù)據(jù)。該模塊對陽光的敏感度比燈光要強(qiáng)的多，從而降低了其他光源的影響，提高了環(huán)境數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.2.4 有害氣體濃度監(jiān)測模塊

有害氣體監(jiān)測模塊是利用有害氣體傳感器MQ-135采集空氣中有害氣體的濃度，該傳感器以二氧化錫（Sn0₂）為氣敏材料，可以檢測空氣中的氨氣、硫化物和苯系蒸汽等有害氣體。傳感器利用半導(dǎo)體材料對有害氣體的敏感程度來改變其導(dǎo)電率，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成具體的電壓值變化，再由STM32主控板的DMA采集多通道的ADC接口接收數(shù)據(jù)，把電壓變化通過模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，傳送到手機(jī)上，就能使用戶清晰地了解環(huán)境中有害氣體的濃度。

4 結(jié)束語

本設(shè)計利用智能小車搭載環(huán)境監(jiān)測設(shè)備去采集各種環(huán)境數(shù)據(jù)，設(shè)計采用物聯(lián)網(wǎng)智能化產(chǎn)品設(shè)計中主流的32位ARM微控制器，控制智能環(huán)境監(jiān)測小車的運動系統(tǒng)和環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。通過運動系統(tǒng)實現(xiàn)小車的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向、停止、加減速以及自動避障等功能，通過環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)設(shè)備對溫濕度、光照強(qiáng)度、有害氣體濃度等環(huán)境數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測，兩個系統(tǒng)分別采用藍(lán)牙通信裝置和Wi-Fi通信裝置通過手機(jī)APP助手實現(xiàn)對小車的運動控制和環(huán)境數(shù)據(jù)的發(fā)送。該智能環(huán)境監(jiān)測小車克服了傳統(tǒng)手持環(huán)境監(jiān)測設(shè)備的空間局限性，監(jiān)測范圍更廣，監(jiān)測更安全。整個硬件電路結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，具有很強(qiáng)的實用性。

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