基于STM32的智能環境監測小車的設計

黨嬋娟

摘要：傳統的手持環境監測設備無法檢測空間狹小、位置險要等地的環境，具有空間局限性，為了克服該缺點，提出了基于STM32的智能環境監測小車的設計。小車以STM32微控制器為核心，控制其運動系統和環境數據采集系統，實現了小車的行駛、自動避障、溫濕度監測、光照強度監測、有害氣體濃度監測、藍牙和Wi-Fi通信等主要功能，監測范圍廣且監測安全，具有較高的實用價值。

【關鍵詞】環境監測 小車 空間

1 引言

環境與人的生存息息相關，舒適的生活環境是人類健康、安全的重要保障。環境不會永遠處于一個穩定、適宜的狀態，它容易受各種因素的影響而發生改變，因此需要利用環境監測設備去采集生活環境中的諸如光照強度、溫濕度、有害氣體濃度和可燃氣體濃度等數據，監測這些指數是否適宜，以便在環境指數較差時能及時采取相應的措施做出調節，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，人們無法手持設備去監測環境，基于此本文提出了利用智能機器搭載環境監測設備去收集環境數據，即基于STM32的智能環境監測小車的設計。

2 環境監測小車的總體設計及功能實現

本設計分為小車運動系統和環境數據采集系統兩個部分，兩個系統的處理器均采用STM32F103微控制器。其中小車運動系統包含藍牙、運動控制和自動避障行駛三個模塊，環境數據采集系統包括Wi-Fi模塊、光照監測、溫濕度監測以及有害氣體濃度監測四個模塊。

小車運動系統通過藍牙模塊給STM32主控制器發送控制信號，主控制器發送PWM波給L298N電機驅動模塊，來控制小車運動的方向和速度，同時也利用舵機和超聲波的綜合特性來實現自動避障行駛。

環境數據采集系統由STM32主控制器通過串口與Wi-Fi模塊進行通信，將光照監測模塊、溫濕度監測模塊以及有害氣體濃度監測模塊采集到的環境數據整理成報文，通過Wi-Fi模塊發送到手機客戶端顯示出來。

3 功能模塊的設計與實現

3.1 小車運動系統

3.1.1 藍牙通信模塊

藍牙通信模塊是利用BLK-MD-BC04-B藍牙模塊和藍牙助手APP這兩部分實現的，藍牙模塊與STM32板的UART1相連，數據通過串口與藍牙模塊進行傳輸。在與手機端助手連接成功后，手機端發送的指令會通過藍牙模塊接收，系統根據手機端發送過來的指令執行相應的動作，來控制小車的前進、后退和轉向等，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驅動芯片和4個直流電機構成的，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，進而改變電機的轉動方向和轉動速度，這樣就能實現小車的前進、后退、左轉、右轉、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來實現自動避障的功能的，超聲波模塊在測距過程中向前方發送超聲波，然后系統接收發送出去的超聲波，利用發送和接收的時間差值就可計算出當前小車與障礙物之間的距離；檢測到障礙物后，舵機則通過STM32主控輸出的PWM波來使舵機朝不同角度轉動，從而使小車避開障礙物行駛。

3.2 環境數據采集系統

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這兩個部分構成的，利用串口和Wi-Fi通信模塊來實現STM32主控板與手機APP的通信，由各種傳感器采集的環境數據傳送給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模塊發送到手機端的Wi-Fi通信助手APP上.實現主控板與手機端之間的交互，方便讀取，用戶能實時地了解所要監測的環境數據。

3.2.2 溫濕度監測模塊

溫濕度監測模塊采用DHT11數字溫濕度傳感器對所要監測環境的溫度、濕度數據進行實時采集。其內置的己校準數字信號輸出保障了模塊具有強大的可靠性和極高的穩定性，其校準系數存儲在內存中，傳感器內部通過調用這些校準系統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，再通過字符轉換將這些環境數據轉換整理成報文發送出去，顯示在手機上。

3.2.3 光照監測模塊

光照監測模塊主要用于采集、監測環境中的光照強度，該模塊采用BH1750FVI數字型光強度傳感器集成電路，光照傳感器收集的環境數據通過I2C協議傳輸到STM32主控板上，然后STM32主控板上把模塊收集的高八位光照數據和低八位光照數據合并得到實際的光照數據，再把得到的數據轉換成報文，通過串口、Wi-Fi模塊和手機APP，在手機上實時顯示光照數據。該模塊對陽光的敏感度比燈光要強的多，從而降低了其他光源的影響，提高了環境數據的準確性。

3.2.4 有害氣體濃度監測模塊

有害氣體監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。傳感器利用半導體材料對有害氣體的敏感程度來改變其導電率，進而轉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接口接收數據，把電壓變化通過模數轉換成數字信號，傳送到手機上，就能使用戶清晰地了解環境中有害氣體的濃度。

4 結束語

本設計利用智能小車搭載環境監測設備去采集各種環境數據，設計采用物聯網智能化產品設計中主流的32位ARM微控制器，控制智能環境監測小車的運動系統和環境監測系統。通過運動系統實現小車的前進、后退、轉向、停止、加減速以及自動避障等功能，通過環境監測系統實現設備對溫濕度、光照強度、有害氣體濃度等環境數據的采集與監測，兩個系統分別采用藍牙通信裝置和Wi-Fi通信裝置通過手機APP助手實現對小車的運動控制和環境數據的發送。該智能環境監測小車克服了傳統手持環境監測設備的空間局限性，監測范圍更廣，監測更安全。整個硬件電路結構簡單，成本較低，具有很強的實用性。

參考文獻

[1]孫書鷹，陳志佳，寇超.新一代嵌入式微處理器STM32F103開發與應用[J]，微計算機應用，2010 （12）：61-65.

[2]蔡卓凡，基于多超聲波傳感器避障機器人小車的設計[J].自動化技術與應用，2014 （05）：90-94.

[3]劉燎原，袁德明.基于射頻技術的無線環境監測系統設計與實現[J]，電子設計工程，2012 （18）：84-87.

[4]高秋燕.區域環境無線監測系統的研究與實現[D].中北大學，2014.endprint