基于STM32芯片的環境感知遠程終端單元設計與實現

韓泊明+趙星澤

摘 要：室內空氣質量已經成為人們生活中重要的話題之一。本課題按照空氣質量指數標準，設計出一個基于STM32芯片的適合室內封閉空間的空氣質量檢測模塊，包括數據采集單元、數據處理單元、數據傳輸單元以及數據顯示單元的設計。通過該模塊可實現空氣質量參數的智能采集和上傳，并將該模塊顯示在上位機，以及根據設定的閾值進行實時監控與報警。

關鍵詞：空氣質量監測；STM32；環境感知

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.248

0 引言

隨著我國綜合實力的不斷提升，以及個人生活水平的提高，空氣質量也隨之發生劇烈變化。一方面，在許多重工業生產中，有害氣體的釋放與泄露成為影響空氣質量的主要因素。空氣質量的變化導致了許多自然災害的發生，例如酸雨，溫室效應，霧霾等。另一方面，隨著生活水平提高，室內裝修熱不斷提升，室內空氣污染也日益嚴重。為了節省能源，建筑物密度封閉程度的不斷提高，導致裝修材料和家具等揮發的有害氣體不能及時排出。相關信息顯示：封閉環境更易受到污染。

1 國內外研究現狀分析

早在20世紀90年代，歐美等發達國家先后成立室內空氣質量監測中心，用來監測政府、學校、醫院等不同室內環境的空氣數據。在已上市的空氣質量監測產品中，美國的ESC公司生產的Z.300型甲醛檢測儀，英國PPM公司生產的PPM-400型甲醛測試儀較受歡迎。較之國外，我國對空氣質量研究起步較晚，21世紀初，國內專家學者先后編制室內空氣質量相關法治，并不定期舉辦專題研討會，根據監測儀獲取的數據確定污染源，以采取合適方案來控制污染源。目前上市設備有北京賓達綠創科技有限公司生產的甲醛測定儀 XP.308、江蘇安普電子工程有限公司生產的400型甲醛分析儀等。

2 環境感知遠程終端單元設計與實現

本模塊以STM32開發板為基礎，結合甲醛、PM2.5、等傳感器，實現室內空氣參數的采集與處理，再通過ModBus將數據上傳交于上位機。監測終端模塊主要有數據采集單元、數據處理單元、數據傳輸單元以及數據顯示單元四部分組成。

2.1 數據采集單元

這一單元主要負責信息采集，將監測到的數據轉換為電信號輸出。經測量參數及性價比最終確定，甲醛傳感器為ME3M-CH20型電化學甲醛傳感器，PM2.5傳感器重慶山蘭機電設備有限公司生產的GCG1000粉塵濃度傳感器，濃度傳感器為明德大方科技有限公司的M1601二氧化碳傳感器。

2.2 數據處理單元

數據處理單元負責處理數據并儲存轉發，實現系統整體的協調和控制。該單元主要由CPU、存儲器、接口電路等硬件和操作系統組成。主控單元芯片為STM32F103ZET6，內存為1T，單時鐘/機器周期。主要采用引腳為5V、3.5V電壓源，RXD，RXD2，TXD2，DSPORT，DS18B20I/O數據端，LCD液晶顯示接口控制引腳。

2.3 數據傳輸單元

利用ModBus協議，實現信息上傳到后臺，這正是本設計的創新點。Modbus總線網絡是一種主從式的網絡，采用ASCII碼傳輸模式，每8字節可采用2個ASCII碼發送，根據該通信協議要求，主機發送給模塊的指令格式為：（前導字符）（地址）（命令）[CHKSUM]（CR）。

2.4 數據顯示單元

本設計采用LCD1602顯示屏，該屏幕用來顯示甲醛、PM10、濃度測量值。顯示結果為三行，每行由十六個字符組成。當發送指令和數據給顯示程序時，根據指令函數顯示返回結果。

2.5 結果

本實驗以粉塵濃度傳感器和M1601二氧化碳傳感器測量值為例，屏幕顯示PM2.5、PM10和濃度測量值。

實驗結果圖如下所示：

3 結束語

隨著人民生活水平的提高，室內空氣質量檢測已受到全社會的關注，室內空氣質量的標準也被重新制定。人類生存離不開空氣，人的一生大多半的時間是在室內度過的，特別是老、弱、病、殘等體弱者在室內活動時間更長，因此室內環境質量的好壞直接影響著他們的身心健康。對于像我國這樣人口眾多的國家，加強室內空氣檢測，維持一個綠色的居住、辦公場所，讓廣大人民都擁有一個健康的體魄，顯得尤為重要。

本課題通過確定甲醛，PM2.5，以及濃度為基本測量參數，實現空氣質量參數的智能采集和上傳，并將數據顯示在上位機，以及根據設定的閾值進行實時監控與報警。系統采用STM32F103ZET6系列作為控制核心，采用ME3M-CH20型電化學甲醛傳感器，高精度激光檢測 PM2.5 傳感器、以及傳感器來采集各參數信息。上傳送數據使用ModBus協議，高效、便捷。通過此模塊與上位機監測軟件相連接，可實時顯示測量數據，進一步走向智能健康化生活。

參考文獻：

[1]Helicomm Inc.IP-Link1000 Embedded Wireless Module User Manual[M].USA： Helicomm Inc，2014：1-30.

[2]張路橋.無線傳感器網絡拓撲控制研究[D].電子科技大學，2013.[3]唐秀輝.無線傳感器網絡技術及在環境監測中的應用研究[D].電子科技大學，2013.endprint