基于STM32的PM2.5監測裝置設計

孫昌 朱浩華 高凱

摘 ?要：PM2.5是嚴重影響空氣質量的污染物，如何實時精確地監測該物質的含量是亟待解決的問題。目前，高精準的PM2.5監測器成本高且體積大。為實現設備輕量化，文章結合嵌入式開發方案解決系統設計的功能需求。該裝置以STM32為硬件平臺，能夠滿足日常生活中對空氣PM2.5監測的需求，實現了對PM2.5濃度的實時監測。

關鍵詞：PM2.5;設備輕量化;STM32;實時監測

中圖分類號：X851 ? ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）18-0038-02

Abstract： PM2.5 is a pollutant which seriously affects the air quality. How to monitor the content of this substance in real time and accurately is an urgent problem to be solved. At present， the high precision PM2.5 monitor has high cost and large volume. In order to realize the lightweight of the equipment， this paper combines the embedded development scheme to solve the functional requirements of the system design. The device takes STM32 as the hardware platform， can meet the needs of air PM2.5 detection in daily life， and realizes the real-time monitoring of PM2.5 concentration.

Keywords： PM2.5; lightweight of equipment; STM32; real-time monitoring

1 概述

我國工業化進程飛速發展的同時也給環境問題帶來了巨大壓力，當前各大城市的PM2.5值高居不下，空氣質量嚴重超標。對公眾健康構成巨大威脅[1]。

PM2.5在空氣中滯留周期長，危害范圍廣[2]。其生化機理復雜，在大氣成云化學反應中存在很多未知性。PM2.5的產生有人為因素和自然因素，近年來受人類活動影響較大。PM2.5對空氣污染、大氣能見度以及大氣能量平衡的影響巨大。

鑒于PM2.5的研究背景，該設計使用嵌入式開發解決方案滿足設計的功能要求。目的是設計出能夠將PM2.5濃度數據實時監控和顯示的輕量化裝置，其拓展功能包括GSM無線控制模塊。

2系統總體框架

2.1 需求分析

本裝置設計是基于STM32為控制核心的室內PM2.5監測設備。能夠實現實時監測，實時顯示數據并實現智能遠程監測。本文設計的PM2.5監測儀的功能和指標見表1。

2.2 系統框架

系統框架由九部分組成：STM32處理器，PM2.5監測模塊，溫、濕度監測模塊，報警裝置，顯示模塊，無線收發裝置，電源模塊，USB充電接口以及MICRO_SD擴展接口。系統框架如圖1所示。

MCU模塊以Cortex-M3內核處理器STM32F103系列為核心，低功耗、集成度高、結構簡單、處理數據速度快。

傳感器模塊是該裝置的核心部件。根據設計要求分析，采用激光型PM2.5監測傳感器。其可以準確測量灰塵顆粒，并輕松處理收集的數據。

顯示模塊使用易于搭載的LCD顯示屏-LCD12864。其特點是硬件接口簡單，僅占用有限的I/O資源。其硬件電路較同類型的圖形點陣液晶顯示模塊要簡潔得多[3]，價格也相對實惠。可以成功完成實時顯示監控數據的任務。

系統報警裝置采用聲光混合報警的解決方案，最大程度的吸引用戶的注意力。該模塊在預警中發揮著重要作用。

無線傳輸模塊使用GSM收發器。該設計利用了SMS自身在GSM網絡中的數據傳輸功能和SMS應用程序的遠程智能控制。

電源模塊為每個模塊使用單獨的電源解決方案，以避免每個部件相互干擾。為了實現便攜式感測和控制該系統的功率消耗，該系統被設計為智能切換的雙電源系統。實現方式是通過組合一個可再充電的電源模塊和一個固定的功率適配器模塊。系統設計具有兩個特性：便攜、可控低功耗。

3 傳感器選型

PMS1003系列是一種數字通用粒子濃度傳感器。它使用激光散射原理。激光照射并散射空氣中的懸浮顆粒，并以一定角度收集散射光，以獲得作為時間函數的散射光強度曲線。內部處理器使用基于米氏理論（MIE）的算法來導出具有不同粒子數的每單位體積的等效粒度和粒子數量。

PMS1003模塊的電路接口如圖2所示。

4 軟件設計

首先，初始化STM32F103C6T6串行端口1并允許串行端口接收DMA。任務主體首先激活PMS1003的SET引腳（上拉），使其進入正常工作模式。然后延遲10秒鐘可靠地工作，每2秒讀取一次數據，并連續5次讀取數據。數據讀取完畢將SET引腳設置為低電平。然后，通過平均濾波方法處理所獲得的五個數據。最后將處理的數據發送到另一個任務。每分鐘讀取、處理和傳輸一次數據。PM2.5監測主程序的流程圖如圖3所示。

5 結束語

本裝置的監測模塊采用激光型PM2.5傳感器，基于激光散射的工作原理，在實測過程中具備較高的測量精度。此外，該傳感器內置微處理器，對系統CPU起到一定的減負作用。該設計使用LCD12864實時顯示測量的PM2.5數據，為用戶提供精準、可靠的參考信息。該裝置移動方便，性價比高，具備一定的使用價值。

參考文獻：

[1]王剛，吳成志.美國大氣許可中PM2.5評估方法及對中國的啟示[J].環境影響評價，2015（6）：49-51.

[2]肖美，郭琳，何宗健.空氣環境中PM2.5研究進展[J].江西化工，2006（4）：43-45.

[3]賈向朝.基于GSM無線網絡的地下水文監測系統[D].陜西：陜西科技大學，2008.