基于STM32的環(huán)境監(jiān)測控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)＊

李明澤 崔海青 謝俊偉 齊鶴 黃彥章

1.中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院；2.中國民航大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院

為了更好地應(yīng)對現(xiàn)代工業(yè)化工作環(huán)境的多樣性和復(fù)雜性，實(shí)時有效地監(jiān)測場景的環(huán)境參數(shù)，及時獲取其最新數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種基于STM32的環(huán)境監(jiān)測控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32F103ZET6單片機(jī)為主控芯片，以無線通信模塊作為傳輸介質(zhì)，集成多種傳感器設(shè)備（包括溫度傳感器、紅外線傳感器模塊、氣體源傳感器等），并制作出可移動的環(huán)境監(jiān)測控制系統(tǒng)，將采集到的環(huán)境信息實(shí)時上傳至服務(wù)器端平臺供使用者查詢使用。經(jīng)過測驗(yàn)，本系統(tǒng)可以全天候?qū)崟r上傳數(shù)據(jù)信息，由中心平臺集中管理，輔助監(jiān)控者獲取目標(biāo)場景信息進(jìn)行判斷。

現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)生活中，諸如居室、實(shí)驗(yàn)室、工廠車間、電力機(jī)房等場景的環(huán)境安全問題逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。無論是大型企業(yè)、小型公司和商場，還是居民區(qū)室，人民對高質(zhì)量的生活提出了要求，而且保障人員和財(cái)產(chǎn)安全亦是重中之重，要時刻放在心上，滿足用戶需求[1]。針對當(dāng)前市場銷售情況，市面大多采取分離式的傳感器監(jiān)測單元獲取室內(nèi)煙霧、火災(zāi)，溫度等環(huán)境參數(shù)，在出現(xiàn)險(xiǎn)情時發(fā)出聲光等警報(bào)信號，提醒室內(nèi)人員撤離[2]。至今存在著監(jiān)測設(shè)備大多國外化，先進(jìn)性和自主性未能得到保障，企業(yè)和政府在該領(lǐng)域投入力度不夠，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，使用標(biāo)準(zhǔn)不規(guī)范等[3]。

然而室內(nèi)并不會一直都有人值守，互聯(lián)網(wǎng)時代的到來和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的完善，為改進(jìn)環(huán)境監(jiān)測和預(yù)警播報(bào)提供了新的技術(shù)支撐。本系統(tǒng)采用了集成式的硬件終端監(jiān)測裝置采集數(shù)據(jù)，利用STM32中央微處理器可以提高監(jiān)測的精度[4]，同時使用無線通信技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)至云平臺，傳輸、記錄和展示信息，高效準(zhǔn)確地完成警報(bào)信息的發(fā)布。

1 系統(tǒng)整體框架

本研究實(shí)現(xiàn)了一種環(huán)境監(jiān)測控制系統(tǒng)。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。該系統(tǒng)運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將監(jiān)測端與接收端聯(lián)系起來，在監(jiān)測端用STM32單片機(jī)作為控制核心，控制多個傳感器的數(shù)據(jù)收發(fā)和初級處理，利用無線通信技術(shù)WiFi，實(shí)時快捷地將收集到的環(huán)境參數(shù)發(fā)送到服務(wù)器接收端，通過后臺管理平臺呈現(xiàn)到管理人員面前，實(shí)現(xiàn)對監(jiān)控區(qū)域環(huán)境信息的實(shí)時監(jiān)控。

圖1 系統(tǒng)總體框架Fig.1 Overall framework of the system

2 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)

2.1 微控制器

為了適應(yīng)室內(nèi)多樣的監(jiān)測環(huán)境，使本控制系統(tǒng)能夠滿足搭載多個傳感器、降低使用功耗、合理地利用流量資源、開發(fā)和可操作性簡單等需求，本系統(tǒng)的監(jiān)測終端采用控制板STM32F103ZET6為核心，是基于Arm Cortex-M3內(nèi)核的32位單片微型計(jì)算機(jī)，具備睡眠、停機(jī)和待機(jī)模式，可以在要求快速啟動、多頻次多類型喚醒和功耗低三種需求中達(dá)到合理的平衡。具有高性能、低成本、低功耗等特點(diǎn)[5]，適用于實(shí)際應(yīng)用過程中室內(nèi)環(huán)境參數(shù)信息多頻次喚醒數(shù)據(jù)上傳，同時可以向外擴(kuò)展硬件功能，開發(fā)系統(tǒng)配套的硬件和軟件。

該微處理器具有3個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、轉(zhuǎn)換電壓范圍在0V～3.6V之間，擁有雙通道12位D/A轉(zhuǎn)換器、13個通信接口、12通道DMA控制器和112個I/O端口，可用于連接外設(shè)定時器、USART、SPI、ADC和DAC等接口，方便使用?？刂坪诵陌宓闹骺匦酒屯鈬娐啡鐖D2所示。

圖2 主控芯片和外圍電路Fig.2 Master chip and peripheral circuitry

2.2 溫濕度傳感器

鑒于火災(zāi)的多發(fā)性，本設(shè)計(jì)采用的是對環(huán)境溫濕度較為靈敏的DHT11溫濕度傳感器來反映室內(nèi)溫濕度的變化過程，此傳感器的電路圖如圖3所示。DHT11是溫濕度集于一體的數(shù)字型傳感器，內(nèi)含電阻式測濕元件和NTC測溫元件。采用單總線協(xié)議與STM32單片機(jī)進(jìn)行通信，每次單片機(jī)讀取DHT11傳感器的數(shù)據(jù)時，一次性讀取40次，利用DATA進(jìn)行STM32和DHT11的數(shù)據(jù)傳輸，在第一次發(fā)送信號時，將模式從低耗向高速轉(zhuǎn)變。此傳感器所能測量的溫濕度范圍比較廣泛，溫度和濕度的測量范圍、分辨率和進(jìn)度如表1所示，且內(nèi)部達(dá)40Bit的濕度和溫度數(shù)據(jù)可一次性傳給單片機(jī)，數(shù)據(jù)采用校驗(yàn)方式，有效保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性[6]。DHT11相較于其他的同類傳感器，功耗很低且價格廉價，其工作電壓為3.3V～5V，工作平均最大電流為0.5mA。

圖3 溫濕度傳感器電路圖Fig.3 Temperature and humidity sensor circuit diagram

DHT11的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 溫濕度傳感器參數(shù)Tab.1 Anomaly detection results of different models

2.3 煙霧傳感器

采用MQ-2型煙霧傳感器來檢測環(huán)境數(shù)據(jù)，該傳感器的電路圖如圖4所示。此傳感器的特點(diǎn)是高靈敏性，短暫時間內(nèi)快速響應(yīng)恢復(fù)，并且它的靈敏度會隨著氣體濃度的不斷增加而越發(fā)靈敏，元件的電阻值會不斷地變小，并且此傳感器受溫濕度變化影響較小，而且穩(wěn)定性較為優(yōu)良，使用壽命長。此外，它具有廣泛的探測范圍，可以探測液化氣、丙烷、甲烷、丁烷和氫氣等多種氣體，穩(wěn)定性良好，壽命長且驅(qū)動電路簡單，適于家庭和工廠的氣體泄漏監(jiān)測和安全保障預(yù)警[7]。傳感器將采集到的模擬信號輸入到單片機(jī)中進(jìn)行處理，由單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為數(shù)字信號值輸出，進(jìn)而獲得環(huán)境氣體濃度ppm值。

圖4 煙霧傳感器電路圖Fig.4 Smoke sensor circuit diagram

模擬輸出電壓值公式為：

MQ-2煙霧傳感器探測濃度范圍如表2所示。

表2 煙霧傳感器探測氣體濃度范圍Tab.2 Smoke sensors detect the range of gas concentrations

2.4 一氧化碳傳感器

本設(shè)計(jì)采用MQ-7傳感器來測量一氧化碳，該傳感器實(shí)物圖如圖5所示。此一氧化碳傳感器隨著氣體濃度的增加其元件電阻不斷減小，傳感器的電導(dǎo)率也隨著增大，傳感器越發(fā)靈敏。該傳感器在環(huán)境條件無一氧化碳?xì)怏w影響或未達(dá)到所設(shè)閾值時，該傳感器輸出高電平；當(dāng)環(huán)境一氧化碳濃度超過設(shè)定閾值時，該傳感器輸出低電平。也正是如此，STM32單片機(jī)可以監(jiān)測一氧化碳的高低電平來監(jiān)測環(huán)境一氧化碳含量。該傳感器具有較長的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性，通過采集空氣中的模擬氣體信號輸入單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)而輸出數(shù)字信號。主要應(yīng)用于家庭氣體泄漏報(bào)警裝置、工業(yè)用一氧化碳元器件以及便攜式的氣體檢測器的生產(chǎn)制作過程中。

2.5 二氧化碳傳感器

本設(shè)計(jì)采用的是SGP30數(shù)字型傳感器，該傳感器的電路圖如圖6所示，它所測量的氣體包括兩種，二氧化碳與可揮發(fā)氣體TVOC。SGP30搭載多個金屬氧化物傳感元件，輸出的信號具有完全校準(zhǔn)功能，相對于其他單一的二氧化碳傳感器有著抵抗外界污染氣體的能力，有著優(yōu)良的使用壽命和穩(wěn)定性，使得其較多的應(yīng)用在工廠、智能家居和居室等場景中。TVOC—總揮發(fā)性有機(jī)物，是一項(xiàng)衡量空氣質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)，SGP30傳感器同樣也能監(jiān)測TVOC。該傳感器在正常溫度和濕度分別為5℃～55℃和4～20g/m3時表現(xiàn)最佳。它可以監(jiān)測空氣中CO2和TVOC氣體的含量多少并上傳至處理系統(tǒng)對此做出分析，達(dá)到預(yù)警的目的。

圖6 二氧化碳傳感器電路圖Fig.6 Carbon dioxide sensor circuit diagram

二氧化碳濃度對人體影響如表3所示：

表3 二氧化碳濃度影響Tab.3 Effects of carbon dioxide concentration

2.6 語音模塊

語音報(bào)警模塊采用JQ8900-16P芯片，選用SOC方案進(jìn)行集成，涵蓋了一個16位的MCU，以及一個專門面向音頻解碼的ADSP，采用硬解碼的方式，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和音質(zhì)。該芯片把SPI-FLASH直接模擬成U盤，可預(yù)先把語音文件拷貝到模塊內(nèi)，省去了傳統(tǒng)語音芯片需要安裝上位機(jī)以更換語音的麻煩。具有7個觸發(fā)I/O口，最多支持19段語音觸發(fā)播放，滿足對不同危險(xiǎn)進(jìn)行報(bào)警的需求。對于用戶來說，該系統(tǒng)支持指定時間段復(fù)讀，可實(shí)現(xiàn)30級音量調(diào)節(jié)，有利于將報(bào)警信息更好地傳遞給用戶。該模塊實(shí)物圖如圖7所示。

圖7 語音模塊實(shí)物圖Fig.7 Physical diagram of the voice module

2.7 巡航小車

本實(shí)驗(yàn)采用具有優(yōu)良轉(zhuǎn)向性能，可以全向移動的麥克納姆小車[8]，它可以沿著預(yù)定軌跡路線或者接受上層服務(wù)器指令控制運(yùn)行，具有極大的靈活自由度，方便在指定目標(biāo)位置或全面搜查場景時采集環(huán)境參數(shù)信息。小車將實(shí)時運(yùn)動方位和環(huán)境空氣數(shù)據(jù)獲取，由空間方位和氣體濃度成對組成的軌跡序列，通過循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、ADC轉(zhuǎn)換器和環(huán)境監(jiān)測傳感器聚類完成異常檢測，同時將對異常指標(biāo)氣體進(jìn)行規(guī)劃尋源軌跡。

3 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

3.1 主程序流程

本系統(tǒng)通過Keil軟件對硬件終端進(jìn)行指令輸入和編程，實(shí)現(xiàn)控制核心板對傳感器的控制使用和初始條件配置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測功能，之后通過WiFi無線傳輸模塊建立與云平臺之間的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)管理人員實(shí)時監(jiān)控目標(biāo)環(huán)境信息的作業(yè)。主程序流程圖如圖8所示。

圖8 主程序流程圖Fig.8 Main program flowchart

3.2 WiFi通信

本設(shè)計(jì)采用的是ESP8266物聯(lián)網(wǎng)通信模塊，為成本較低的無線設(shè)備，它適用于TCP/IP協(xié)議和MQTT協(xié)議[9]。該模塊的工作電壓為3V～3.6V，電流為500mA以上，工作溫度范圍：-40℃～125℃，可以保證在極端環(huán)境下安全可靠地進(jìn)行工作。此外，裝置占用更少的空間可以更好的契合PCB板。Esp8266作為WiFi模塊，由于此模塊擁有連接網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無線透傳的能力，通過輸入AT控制指令就可以來完成相應(yīng)的動作。ESP8266 強(qiáng)大的片上處理和存儲能力，使得可通過GPIO口集成傳感器及其他應(yīng)用的特定設(shè)備，具備最低的前期開發(fā)和運(yùn)行中最少地占用系統(tǒng)資源的特點(diǎn)。

ESP8266除了傳統(tǒng)的串口燒錄方式，還支持云端升級的方式來更新固件。只需將新版固件上傳至服務(wù)器，在ESP8266聯(lián)網(wǎng)的情況下，服務(wù)器會推送更新消息到用戶，用戶可自行選擇是否升級。對于項(xiàng)目有極大的便捷。ESP8266通信模塊芯片和外圍電路圖如圖9所示。

圖9 ESP8266通信模塊芯片和外圍電路圖Fig.9 ESP8266 communication module chip and peripheral circuit diagram

傳感器采集到環(huán)境數(shù)據(jù)后，通過串口發(fā)送至ESP8266模塊，將數(shù)據(jù)以AT指令的形式發(fā)送至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)環(huán)境數(shù)據(jù)異常時，管理者可以遠(yuǎn)程控制設(shè)備解決隱患或預(yù)處理，如“AT+MIPLWRITE”為下行寫操作請求消息，服務(wù)器下發(fā)寫數(shù)據(jù)操作，即從平臺下發(fā)數(shù)據(jù)到終端，模組收到服務(wù)器數(shù)據(jù)后，將通過串口上報(bào)該消息。

在進(jìn)行信息配置時“ref”代表硬件設(shè)備實(shí)例ID；“msgid”代表消息ID；“Objid”代表Object ID；“insid”代表Instance ID，如果為1,需要讀取該Object下的所有資源；“Resid”代表Resource ID，如果為1，需要讀取該Instance下的所有資源；“type”代表待寫入的數(shù)據(jù)類型；“l(fā)en”代表本次報(bào)文寫入的數(shù)據(jù)值長度；“value”代表寫入的數(shù)據(jù)值，當(dāng)value為1時。即打開Objecct ID對應(yīng)的電氣設(shè)備，比如小燈，空調(diào)，空凈化器，加濕器等設(shè)備；當(dāng)value為0時。即關(guān)閉。

單片機(jī)接收（平臺發(fā)送）數(shù)據(jù)格式如下：

當(dāng)完成設(shè)備的遠(yuǎn)程控制操作，需要給服務(wù)器端反饋，不然會造成操作無效或延時，如“AT+MIPLWRITERSP”為下行寫操作請求回復(fù)，該命令用于MCU完成相應(yīng)Write操作后，向平臺回復(fù) Write 操作結(jié)果。

在進(jìn)行信息配置時，“ref”代表硬件設(shè)備實(shí)例ID；“msgid”代表收到的“AT+MIPLWRITE”消息攜帶的msgid；“result”2代表操作正確完成、11代表Bad Request、12代表Unauthorized、13代表Not Found、14代表Method Not Allowed。服務(wù)器接收后返回ok，即發(fā)送成功，則本次遠(yuǎn)程操控完成。

其命令格式如下：

3.3 小車軌跡程序設(shè)計(jì)

小車根據(jù)隨動氣體濃度的變化情況，預(yù)訓(xùn)練時空偏移向量，通過rnn（循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）預(yù)測下一個時空點(diǎn)檢測氣體的濃度概率分布，計(jì)算和實(shí)際氣體濃度概率分布的kl離散度，kl越小異常成分越高。則說明小車軌跡偏離氣體源的軌跡方位誤差越小，

執(zhí)行代碼如下：

python data_preprocessing.py

python data_loader.py

python pre_embedding.py

python main.py

python predict.py

經(jīng)過對環(huán)境數(shù)據(jù)變化率的分析，得到氣體源的模擬方位，輸出時空坐標(biāo)軌跡的格式為：hour_location hour_location

[1]6_10101 7_10094 8_10096 9_10102 10_10097

[2]6_10094 8_10103 10_10101 11_10103 11_10095 14_10097

[3]12_10094 12_10094 12_10097 13_10096 13_10094 14_10097 16_10096 18_10102

軌跡、氣體變化綜合檢測部分?jǐn)?shù)據(jù)如下：

cardno,loss

be4fqkgr66n89gdna5cg,0.000996691407635808

be4d5d0r66n89gdldnj0,0.0009965329663828015

be4ct7or66n89gdl8760,0.000997029128484428

be4d12or66n89gdlat3g,0.0010041424538940191

be4d4ogr66n89gdldac0,0.0009971902472898364

be4fdogr66n89gdn0rh0,0.0009968323865905404

be4crt8r66n89gdl79cg,0.0009975525317713618

3.4 服務(wù)器平臺

服務(wù)器端用于實(shí)現(xiàn)監(jiān)測環(huán)境信息的體現(xiàn)和數(shù)據(jù)歷史回溯的功能，采用MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳至云平臺，通過驗(yàn)證核實(shí)進(jìn)入獲取信息，利用曲線圖的方式展現(xiàn)當(dāng)前環(huán)境變化情況[10]。此外，服務(wù)器管理人員也可以利用操作指令向硬件終端發(fā)布命令。

4 實(shí)際測試

將硬件終端接上外部電源，通電后待其與服務(wù)器建立連接后，觀測此時的正常情況下的環(huán)境數(shù)據(jù)，如下為服務(wù)器端數(shù)據(jù)截取部分：

2022-05-12 04:07:17pm -- push dataArray|[

{"at":1652342831246,"imei":"860618043200078","type":1,"ds_id":"3304_0_5700","value":36,"dev_id":760513321},

{"at":1652342831246,"imei":"860618043200078","type":1,"ds_id":"3303_0_5700","value":25,"dev_id":760513321},

{"at":1652342831273,"imei":"860618043200078","type":1,"ds_id":"3325_0_5700","value":470,"dev_id":760513321},

{"at":1652342831887,"imei":"860618043200078","type":1,"ds_id":"3316_1_5700","value":1.12,"dev_id":760513321},

{"at":1652342831901,"imei":"860618043200078","type":1,"ds_id":"3316_2_5700","value":2.15,"dev_id":760513321}]。

Value為各傳感器數(shù)值，ds_id則為傳感器類型。從中可觀察到在2022年5月12日下午的04時07分17秒，濕度（3304）為36%，溫度（3303）為25℃，二氧化碳濃度（3325）為470ppm，一氧化碳電壓輸出（3316_1）為1.12V，煙霧電壓輸出（3316_2）為2.15V。

5 結(jié)語

基于STM32單片機(jī)和服務(wù)器等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開發(fā)設(shè)計(jì)了環(huán)境監(jiān)測控制系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)完備可用，穩(wěn)定可靠，可以全天候監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境信息，方便快捷地傳輸數(shù)據(jù)信息，有利于提前獲知室內(nèi)信息，減少室內(nèi)危險(xiǎn)災(zāi)害對人員財(cái)產(chǎn)的損失。此外，通過多種傳感器集成開發(fā)設(shè)計(jì)，使之成為一個獨(dú)立的可以同時監(jiān)測多種環(huán)境參數(shù)的設(shè)備，提高了判斷的準(zhǔn)確性。

引用

[1]毛劍武.居住建筑物聯(lián)網(wǎng)室內(nèi)健康環(huán)境實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建和運(yùn)用[J].四川水泥,2021(3):69-70.

[2]陳志飛.可燃有毒氣體報(bào)警儀系統(tǒng)設(shè)置現(xiàn)狀及應(yīng)用探討[J].安全、健康和環(huán)境,2020,20(3):12-15.

[3]王強(qiáng).新時期我國室內(nèi)環(huán)境檢測的發(fā)展現(xiàn)狀與思考[J].綠色環(huán)保建材,2020(3):62-63.

[4]高紀(jì)男,高治軍,韓忠華.室內(nèi)有害物質(zhì)監(jiān)測與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2022,30(11):89-93+98.

[5]劉德鐵.基于STM32F103ZET6智能梯控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].廣州:華南理工大學(xué),2019.

[6]王志宏,白翠珍.基于DHT11的實(shí)驗(yàn)室多點(diǎn)溫濕度報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].山西電子技術(shù),2011(4):45-46.

[7]蔡俊豪,曹廣忠,彭業(yè)萍,等.基于CC2530與CC3200的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2019,42(10):71-74+78.

[8]張曉,張楠楠.基于麥克納姆輪和Arduino的避障小車設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2022,45(4):30-34.

[9]丘源,經(jīng)本欽,李精華.基于ESP8266WiFi模塊和MQTT協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2019,9(6):24-26+29.

[10]崔文巖,康明,梁書溢,等.基于LoRa的室外環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2022,12(6):16-19.