肖鑫海 王庭有

（昆明理工大學機電工程學院）

隨著工業(yè)化引起環(huán)境惡化，人們對環(huán)境問題關注密切［1］。 傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測往往是針對某一個地區(qū)范圍進行監(jiān)測，對于室內、工廠等較小的空間范圍并不能及時進行監(jiān)測［2，3］。為使人們能夠及時了解周圍環(huán)境質量，各類環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)應運而生。 采用以單片機為核心、多路傳感器并用的新型環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計方案相繼被提出。 這類監(jiān)測系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)監(jiān)測設備更加輕便， 實效性更好，也能運用到各種場所，滿足人們日常生活需要，同時也使環(huán)境監(jiān)測變得更為智能化［4～7］。

筆者提出一款便攜式環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計方案，采用嵌入式系統(tǒng)與傳感器實現對周圍環(huán)境參數的數據采集與顯示。 同時，設定好環(huán)境參數的安全范圍，當環(huán)境參數不在此范圍內時，系統(tǒng)能夠及時發(fā)出警示，并實現遠程數據傳輸與報警功能。

1 系統(tǒng)總體設計

為提高系統(tǒng)的可視化程度與可移植性能，采用 模 塊 化 設 計。 如 圖1 所 示， 系 統(tǒng) 由STM32F103C8T6主控芯片、DHT11溫濕度傳感器模塊、 串口程序下載模塊、YH-GP2Y煙霧傳感器模塊、電源模塊、獨立按鍵模塊、OLED顯示模塊、LED警示燈模塊和GSM無線通信模塊組成。 系統(tǒng)以傳感器及獨立按鍵作為系統(tǒng)輸入，經過主控芯片進行數據處理與邏輯運算， 將環(huán)境參數通過OLED屏顯示并通過GSM模塊實現遠程數據傳輸。

圖1 系統(tǒng)整體結構框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 主控電路

系統(tǒng)以STM32F103C8T6作為主控芯片，外接8 MHz晶振作為系統(tǒng)主頻來源。 主控設計中加入了LED燈，用作系統(tǒng)監(jiān)測時報警。 同時，加入獨立按鍵，用于修改遠程通信對象和系統(tǒng)復位［8］。主控電路如圖2所示。

圖2 主控電路

2.2 傳感器選型與電路

溫濕度信息是設計的一個重要輸入數據。 測量溫度和濕度的傳感器有很多種，為簡化電路設計，選取傳感器DHT11，可同時測量溫濕度信號，通過配置可直接輸出數字信號，再由主控芯片讀取后進行數據處理，便可得到環(huán)境溫濕度。 溫濕度傳感電路如圖3所示。

圖3 溫濕度傳感電路

PM2.5信息是本設計中的另一個重要參數。在本設計中，選取YH-GP2Y煙霧傳感器模塊［9］。將傳感器3腳通過三極管接入系統(tǒng)主控芯片的PA4腳，通過系統(tǒng)主控芯片的輸出配置，可使傳感器5腳輸出一個電壓模擬信號，再將該引腳接入系統(tǒng)主控芯片PA5腳， 從而實現系統(tǒng)對傳感器數據的讀取。 煙霧傳感電路如圖4所示。

圖4 煙霧傳感電路

2.3 GSM模塊電路

在本設計中， 采用了以SIM800C為核心處理芯片的GSM無線通信模塊， 模塊引出引腳TX和RX，經過電平自適應電路分別接到系統(tǒng)主控芯片中的PA2和PA3腳，再通過系統(tǒng)主控芯片發(fā)送AT指令+所需傳送的數據信息，實現了與主控芯片的異步串口通信［10］。 GSM模塊電路如圖5所示。

圖5 GSM模塊電路

2.4 顯示模塊電路

本設計選取I2C通信OLED顯示屏， 其數據線和時鐘線分別接到主控芯片的I2C接口，通過軟件配置，可以實現對主控芯片處理后的數據信息進行顯示。 另需注意的是，采用I2C通信應在其數據線和時鐘線上再接上2 kΩ的上拉電阻。

3 系統(tǒng)軟件設計

本設計程序開發(fā)環(huán)境為KEIL-MDK。

系統(tǒng)開始先對各個模塊進行初始化，包括傳感器初始化配置， 按鍵模塊初始化，GSM模塊初始化以及顯示屏OLED的初始化。 初始化后，通過按鍵掃描子程序實現對系統(tǒng)遠程通信對象的修改。 此后開始數據采集，溫濕度傳感器讀取的是數字量信號， 煙霧傳感器讀取的是模擬量信號。采集到的數據經過主控芯片進行數據處理，得到實際環(huán)境參數，然后與設定值進行比較，若超出設定值，則觸發(fā)燈光報警同時向遠程通信對象發(fā)送信息。 最后實際環(huán)境參數數據會在顯示屏上顯示。 通過不斷循環(huán)上述過程，達到對目標周圍環(huán)境的實時監(jiān)測。 主程序流程如圖6所示。

圖6 主程序流程

4 系統(tǒng)測試

根據設計好的電路，經過PCB打板，以及實物的焊接制作后，對系統(tǒng)進行測試。 系統(tǒng)測試如圖7所示。 顯示屏由上到下依次為PM2.5濃度、環(huán)境濕度、環(huán)境溫度和時間。 通過改變環(huán)境，系統(tǒng)也能較好地檢測出周圍的環(huán)境狀況。 經測試，該系統(tǒng)可以完成對環(huán)境相關參數的實時監(jiān)測，并且反應速度快，能夠實現當環(huán)境參數超過設定安全值時的燈光報警與向遠程通信目標發(fā)送信息的功能。

圖7 系統(tǒng)測試圖

5 結束語

筆者設計了基于STM32F103C8T6芯片的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，選用的檢測傳感器可以直接輸出所需數字量與模擬量，簡化了電路，可靠性高，功耗也較小。 系統(tǒng)采用模塊化設計，提高了其可視化與移植性，采用集成化電路制作，使系統(tǒng)較為小巧，方便攜帶。 相對于傳統(tǒng)的地域性的環(huán)境檢測，該系統(tǒng)可以在室內、 工廠等小范圍內對周圍環(huán)境進行實時監(jiān)測。 此外，系統(tǒng)設計采用的GSM模塊無線通信，實現了遠程數據接收與監(jiān)測。 經過測試，該系統(tǒng)可以運用在實際中，以滿足人們對周圍環(huán)境監(jiān)測的需求。