具有北斗定位功能的環境監測系統的設計與應用

黃少輝 張國忠

摘 要：本文介紹了以單片機為核心，具有檢測多參數、定位和通信的環境監測系統。該系統利用北斗導航模塊定位授時，在單片機的組織協調下，通過PM2.5傳感器，噪聲傳感器，溫度傳感器，濕度傳感器等實現多功能環境檢測，且具有顯示、報警功能。

關鍵詞：環境監測；北斗定位；數據采集；實時通信

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.11.121

1 引言

目前市面上有很多流通的環境監測儀，但很多的儀器不具備定位功能和功能擴展，且各種環境參數指標的監測也不能達到精確的要求。本文設計了一個可以利用北斗定位模塊測量一個地區的溫度，濕度，噪聲和 PM2.5，且具有實時通信功能的環境監測系統。它可根據需要擴展功能。

2 硬件設計

本系統總體框架如圖1所示，它基于北斗定位模塊，以MCU為核心，配以顯示模塊，電源模塊，通信模塊和多傳感器模塊（噪聲傳感器，溫度傳感器，濕度傳感器，PM2.5傳感器）組成的系統。此系統可對定位區域實現高精度環境參數測量，并進行實時顯示和通信。

本系統的主控芯片采用STM32F103 單片機，它擁有較快更新處理數據的速度，能夠完成北斗導航芯片數據快速傳輸，顯示屏的快速掃描。其中自帶的異步串口 USART 可以對接導航芯片，同步串口 SPI 外設可用于控制顯示模塊的更快更新數值。采用可視角度大、功耗低的液晶屏作為顯示模塊。同時系統還設置了噪音預警系統，當檢測的值超過了規定的值，顯示會出現文字變化。

本系統設計選用DS18B20溫度傳感器。該傳感器具有多場合應用、接線方便的特點，可以在多種場合進行封裝應用，具體包括不銹鋼、磁鐵吸附，螺紋式和管道式封裝。

技術性能描述：

（1）實現- 55～125 C的溫度測量范圍，測量誤差不超過1攝氏度。

（2）可以實現多點組網，能夠在三線并聯多個DS18B20，并聯數可達8個，可以對多個測點進行溫度測量，但是測點過多會降低供電電壓，從而影響信號的穩定傳輸。

濕度傳感器使用 DHT11 傳感器。該傳感器是一款復合型的，具有數字信號輸出功能的傳感器，使用專用的溫濕度傳感技術和數字模塊采集技術，對產品的穩定性和可靠性具有極高保障。傳感器包括NTC測溫軟件和電阻式感濕軟件，同時連接一個性能極高的八位單片機，所以傳感器具有性價比高、抗干擾、響應快、品質好的優勢。

PM2.5模塊我們選擇ZPH01作為傳感器。zph01借助PM2.5檢測機制進行PM2.5的實際檢測。借助粒子計數原理對PM2.5檢測單元進行老化、調試和校準，可檢測直徑大于1μm的粉塵顆粒，出廠前已經實現了較高的靈敏度和一致性。輸出信號為PWM，它可以被配置自定義IIC接口和UART數字串行接口。特點：靈敏度高，長期穩定性好，工廠校準校準，內置自動空氣加熱器。該產品外形小巧，重量輕，安裝方便，維修方便。

作為音頻集成功放，LM386功放具有失真小、外接元件少、電壓范圍大、可調整內鏈增益，功耗低的優點。噪聲模塊借助AD采集外界噪音大小，采集公式為：分貝=150*AD1/AD，從而算出分貝參數，然后通過調節變電器顯示出噪音是否正常。

通信模塊采用的是德國西門子公司西門子的TC35i，它是一款雙頻900/1800MHZ高度集成的GSM模塊。此模塊具有發送SMS短信，語音通話，GPRS數據傳輸等基于GSM網絡進行通信的所有基本功能。單片機通過RS232串口與GSM模塊通信，使用標準的AT命令來控制GSM模塊實現各種無線通信功能。

采用ATGM332D-5N系列模塊作為北斗定位模塊，是12X16尺寸的高性能BDS/GNSS全星座定位導航模塊系列的總稱。作為一款具有實際意義的六合一導航定位芯片，AT6558有32個跟蹤通道，能夠有效接收六個導航信號，并且它還具有導航、聯合定位和授時的功能。ATGM332D-5N模塊具有成本低、功耗低和靈敏度高的特點，可以有效應用于手持定位、車輛導航、可穿戴設備等，并可直接更換[1]。

顯示模塊j12864可以對圖形和漢字進行顯示，包括64×256點陣顯示，128個字符，8192個漢字。主要技術參數：VDD 3.3～+5V；顯示顏色：黃綠/藍屏；LCD類型：STN；顯示內容：128列*64行；現實角度：6：00鐘直視；與MCU接口：三位串行/四位或八位并行；配置LED背光。軟件功能具體包括：睡眠模式、字符自定義、移動畫面、顯示光標等。

3 軟件設計

系統的主程序流程圖如圖2所示。它時刻尋求北斗定位系統的支持，精確定位所在區域，準確測量各項環境參數，進行實時顯示與通信。程序由系統初始化，復位模塊和溫度、濕度、PM2.5及噪聲等數據采集模塊組成。它具有顯示、定位授時、預警和通信等功能。

4 應用

本系統經過實驗室調試，各種環境的考驗后，在3個地區進行了長達近半年的實運行，運行結果表明：本系統安全可靠，地理位置定位誤差在允許范圍內，環境檢測精度較高，具有報警功能，可進行實時通信。為實時準確監測環境助了一臂之力。

參考文獻：

[1]崔群，梁鑒如，光金正，高文建.基于北斗定位的多參數城市環境監測儀[J].科教導刊（中旬刊），2016（06）：56-57+64.

作者簡介：黃少輝（1994-），男，福建泉州人，本科在讀，研究方向：電氣自動化控制技術。