黃 暉，余繼成，肖春明，曾 璐

（江西理工大學 電氣工程與自動化學院，江西 贛州 341000）

0 引 言

隨著生活水平不斷提高，人們愈發(fā)重視環(huán)境問題。目前，社會發(fā)展迅速，建筑工地日益增多，施工時對周圍環(huán)境造成污染，如空氣污染、噪聲污染、水污染、光污染等，給人們的生活帶來諸多不便[1]。

如果能及時監(jiān)測環(huán)境參數(shù)的變化，便能盡早進行污染治理[2]?；诖?，本文設計了一款基于STM32單片機的揚塵監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)主要包括電源模塊、主控制器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、顯示模塊和移動通信模塊。為了使用方便，本系統(tǒng)直接連接220 V交流電，再通過電源模塊將220 V交流電轉化為5 V的直流電，以便系統(tǒng)其他部分使用。主控制器通過STM32單片機處理數(shù)據(jù)采集模塊傳送的數(shù)據(jù)，并在顯示模塊實時顯示。

為方便遠程查看揚塵系統(tǒng)采集的環(huán)境數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)特開發(fā)了一款專用微信小程序。移動通信模塊（NB-IoT模塊）通過HTTP網(wǎng)絡協(xié)議訪問服務器，將單片機處理后的數(shù)據(jù)上傳到服務器，之后微信小程序與服務器進行數(shù)據(jù)交互，獲取并顯示相關環(huán)境數(shù)據(jù)[3-4]。系統(tǒng)運行示意如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件組成

2.1 STM32單片機

本系統(tǒng)選用STM32F103單片機作為控制器。它屬于中低端32位ARM微控制器，其芯片為ST公司出品的Cortex-M3內核。芯片內置128 KB閃存和20 KB SRAM高速存儲器，最大工作頻率為72 MHz，擁有多個I/O端口及與兩條APB總線聯(lián)接的外設。每個型號的STM32芯片都包含3個通用的16位定時器、2個12位的ADC、1個PWM定時器。此外，它還包含多個標準且先進的通信接口[5]，如I2C、SPI、USART、USB、CAN 等。

圖1 系統(tǒng)運行示意圖

在本系統(tǒng)中，STM32F103單片機通過USART3連接數(shù)據(jù)采集模塊用以獲取溫度、濕度、PM2.5等數(shù)據(jù)；USART2連接移動通信模塊與服務器通信；SPI連接顯示模塊，將需要顯示的數(shù)據(jù)通過SPI發(fā)送到顯示屏[6]。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集選用RS-BYH-M模塊。作為主要的環(huán)境數(shù)據(jù)采集器，RS-BYH-M模塊采用一體式設計，將傳感器安裝在百葉盒內，能便捷地測量周圍環(huán)境的空氣質量、噪聲、溫度、濕度、光照等參數(shù)[7-8]。由于STM32F103單片機無RS 485接口，故本系統(tǒng)通過將UART轉換成RS 485解決這一問題。

2.3 顯示模塊

顯示模塊使用由12塊小LED模塊面板組成的LED顯示屏，采用12接口通信，通過四分之一掃描方式工作。單片機使用SPI通信接口循環(huán)發(fā)送數(shù)據(jù)，使LED顯示屏點亮相應的LED燈，從而顯示需要的字符。

2.4 NB-IoT模塊

NB-IoT模塊是移動通信模塊，使用的型號為M5310-A。該型號的NB-IoT模塊支持最新Release14標準，相比之前版本通信速率更高。此外，M5310-A還新增了遠程固件升級（FOTA）功能。

NB-IoT模塊具有尺寸小、功耗低、工作溫度范圍寬等特點，可用于智能家居、智能抄表、智慧城市、智慧農業(yè)等領域的數(shù)據(jù)傳輸服務。

3 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)在STM32單片機上使用了RT-Thread操作系統(tǒng)[9]。它是一個嵌入式實時多線程操作系統(tǒng)，基本屬性之一是支持多個任務同時運行。RT-Thread還具有實時性高、占用資源少等特點。

系統(tǒng)軟件采用模塊化設計。其中，STM32單片機主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊以及通信模塊。各模塊均使用RT-Thread系統(tǒng)的線程處理，并且三個線程之間使用郵箱通信：首先由數(shù)據(jù)采集模塊的線程讀取傳感器獲得數(shù)據(jù)并進行簡單處理，再通過郵箱將數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)顯示模塊線程及通信模塊線程，數(shù)據(jù)顯示模塊線程接收到數(shù)據(jù)后，將其直接發(fā)送到LED顯示屏，NB-IoT模塊則將接收的數(shù)據(jù)發(fā)送到服務器[10]。系統(tǒng)軟件流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件流程

數(shù)據(jù)顯示模塊線程首先對數(shù)據(jù)顯示相關變量進行初始化，然后通過郵箱接收從數(shù)據(jù)采集模塊線程發(fā)送的帶有環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)的郵件，經(jīng)過相應處理后調用數(shù)據(jù)顯示函數(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示屏進行顯示。數(shù)據(jù)顯示流程如圖3（a）所示。

微信小程序使用微信原生的Request組件進行網(wǎng)絡請求。首先Request組件攜帶URL、賬號、密碼等信息向服務器發(fā)起請求，服務器收到請求信息后檢查自己是否存在所請求的資源，若存在，則返回狀態(tài)碼和所請求內容，否則返回錯誤信息。為了確保在網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸過程中所有操作的正確性，必須確認服務器返回的狀態(tài)均正確。微信小程序接收到請求數(shù)據(jù)后，對其進行解析并展示。微信小程序獲取數(shù)據(jù)流程如圖3（b）所示。

圖3 軟件流程

4 系統(tǒng)調試

本系統(tǒng)的調試過程分為如下兩步：

（1）由STM32端進行數(shù)據(jù)采集顯示；

（2）通過服務器在微信小程序上顯示數(shù)據(jù)。

STM32端進行數(shù)據(jù)采集顯示時，需通過數(shù)據(jù)采集模塊將采集的溫度、濕度、噪聲、PM2.5、PM10等數(shù)據(jù)經(jīng)過STM32單片機處理并顯示到液晶屏上。經(jīng)過多次調試，結果符合預期。數(shù)據(jù)采集調試界面如圖4所示。

在對遠程數(shù)據(jù)顯示進行測試時，需把STM32單片機處理后的數(shù)據(jù)使用NB-IoT模塊HTTP協(xié)議的POST方法提交給服務器并存儲，微信小程序通過服務器獲取數(shù)據(jù)并顯示。微信小程序端測試結果符合要求。微信小程序數(shù)據(jù)查詢、顯示界面如圖5所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集調試界面

圖5 微信小程序數(shù)據(jù)查詢、顯示界面

5 結 語

經(jīng)過調試，本系統(tǒng)能很好地完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)上報、微信小程序查看測量環(huán)境數(shù)據(jù)等功能，基本實現(xiàn)了設計要求。另外，本系統(tǒng)選用的STM32單片機擁有強大的數(shù)據(jù)處理能力和眾多外設，資源十分豐富，可以在現(xiàn)有基礎上通過外接電路增加傳感器，從而獲取更多環(huán)境數(shù)據(jù)。如果有報警需求，還可以加入警報電路來實現(xiàn)報警功能。