基于STM32的火電廠空氣質量無線監測系統設計

慕燈聰 李崢 朱旋

摘 要：設計一款基于STM32的火電廠空氣質量無線監測系統.系統通過激光式PM2.5傳感器和溫濕度傳感器，采集火電廠空氣中PM2.5和溫濕度的值，采用網絡分區法將數據上傳給數據匯聚節點，再由匯聚節點上傳給PC.綜合測試結果表明，該系統能夠準確、實時顯示火電廠周圍區域的空氣質量參數，可長時間穩定工作，具有廣泛的應用前景.

關鍵詞：火電廠;空氣質量;PM2.5傳感器;STM32

[中圖分類號]TN915.85 ? [文獻標志碼]A

Abstract：A wireless monitoring system for air quality in thermal power plants based on STM32 is proposed in this paper.The system can collect the value of PM2.5，temperature and humidity of the environment by using the laser sensor PM2.5，temperature and humidity sensor.The network partition method is used to upload the data to sink nodes，then the sink nodes upload the data to PC.After the test，The system can accurately and real-time display the air quality parameters around the thermal power plant，work stably for a long time and has a wide application prospect.

Key words：thermal power plants;air quality;PM2.5 sensor;STM32

隨著我國經濟的快速發展，能源消耗不斷加大，空氣污染日益加重.火電廠在煤炭消耗中占有較大的比重，是空氣污染的主要來源之一.[1-2]傳統火電廠空氣質量監測多為有線監測，存在布線難、成本高及維護困難等問題，已無法滿足火電廠復雜多變的環境.因此，設計新的火電廠空氣質量監測系統具有十分重要的意義.筆者設計一款基于STM32的火電廠空氣質量無線監測系統，該系統采用分布式監測的方法，利用單片機采集傳感器數據得到空氣質量參數，再利用LORA通信技術將采集到的數據傳輸到服務器中存儲、分析，準確、實時顯示火電廠周圍區域的空氣質量參數.

1 系統硬件設計

整體系統分為兩個部分：數據采集節點和數據匯聚節點.數據采集節點系統以STM32單片機為控制芯片，構成主控模塊，主要完成監測數據的處理分析，協調各功能模塊之間的調度.系統的運行機制：上電復位以后，傳感器模塊對火電廠某位置的空氣質量參數進行采集，檢測溫度、濕度、PM2.5濃度和PM10濃度.溫濕度由AM23XX單總線數字式傳感器采集，PM2.5濃度值由SDS021粉塵傳感器完成.通過LORA無線通信的方式將數據發送到匯聚節點，匯聚節點將數據上傳至電腦上位機.數據匯聚節點以STM32單片機為控制芯片構成主控模塊，結合LORA無線通信方式接收由數據采集節點傳輸上來的數據，通過串口將數據上傳至PC端，從而實現對火電廠周圍空氣質量的監測.

1.1 數據采集節點設計

系統選用STM32F103CBT6單片機作為主控芯片.主控模塊作為整個系統運行的控制中樞，完成整個系統各功能模塊的協調調度.首先，根據數字溫濕度傳感器特有的數據傳輸機制建立通信時序，完成與溫濕度傳感器的數據通信.其次，由于SDS021粉塵傳感器內部已集成好數據處理并通過串口輸出，所以和STM32進行串口通信即可.通信采用SX1278芯片的LORA通信技術將數據發送給采集終端，采用LORA通信模塊與STM32通信串口的方式.軟件編程：STM32單片機自帶專門的函數庫，可直接調用相應 API（Application Program Interface）來配置STM32寄存器，實現編程.

1.2 傳感器數據采集電路設計

傳感器模塊主要完成對室內空氣溫濕度及PM2.5濃度值的實時監測.AM23XX數字溫濕度傳感器內部集成了A/D轉換功能，可直接將檢測到的模擬量轉化為數字量與STM32進行數據通信.[3-4]PM2.5濃度值通過串口輸出為數字量，可直接采用串口通信讀取數據.

數字溫濕度傳感器 采用型號為AM2302的溫敏電容數字溫濕度傳感器，單總線接口具有超小體積、極低功耗、傳輸距離可達20米以上的特點.數據總線SDA為三態結構，按照單總線通信協議讀寫傳感器數據.數據總線與STM32的PA1端口相連，如圖1所示.

粉塵傳感器 粉塵傳感器SDS021采用5 V直流電壓供電，激光散射原理，能同時測量空氣中的PM2.5和PM10濃度.數據輸出采用標準的串口通訊協議，響應時間為1 s，能很快穩定的工作，與STM32通過串口2連接，如圖2所示.

1.3 LORA通信模塊與網絡拓撲設計

LORA是近年來興起的LPWAN無線通訊技術之一，具有自組網、低功耗和節點增加等優點，非常適合該系統的使用.[5]本設計采用基于SX1278射頻芯片的E32-TTL-100無線串口LORA模塊，該LORA模塊自帶處理器，已經移植LORA無線通信協議.與STM32的串口1（PA9，

PA10）相連，透明傳輸，大大簡化了程序的復雜度.設計將一個區域的LORA網絡分成若干網絡，依次降低通信鏈路的開銷.對網絡進行分區之后，設置成不同的頻道，同系統同區域內的匯聚節點和采集節點處于相同的頻道，節點上電即加入網絡.采用這種網絡分區，可有效降低誤碼率，增強網絡的穩定性.