基于STM32大氣動態(tài)霧霾檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

沈行良,李天予,陸昕宇

(上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，上海 201620)

基于STM32大氣動態(tài)霧霾檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

沈行良,李天予,陸昕宇

(上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，上海 201620)

大氣的質(zhì)量直接關(guān)系到人們的生存環(huán)境，衡量大氣污染的程度和對身體健康造成的傷害，都離不開對大氣的檢測；如何進(jìn)行檢測，用什么方法來評判，文章提出一種方法來實(shí)時(shí)檢測大氣霧霾的狀況，尤其是PM2.5(空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于2.5微米的顆粒物)被認(rèn)為是造成霧霾天氣的“元兇”；大氣霧霾監(jiān)測系統(tǒng)利用霧霾檢測器和GPRS傳導(dǎo)，將所在地霧霾情況實(shí)時(shí)監(jiān)測傳輸給手機(jī)APP終端，手機(jī)接收之后將數(shù)據(jù)整合顯示給使用者，達(dá)到霧霾監(jiān)測和提前應(yīng)對惡劣天氣的作用。

STM32；微型處理器；GPRS；霧霾檢測

0 引言

隨著社會的發(fā)展，人們對空氣質(zhì)量的關(guān)心越來越強(qiáng)烈，在中國，有許多城市因?yàn)殚L期工業(yè)的發(fā)展，工業(yè)廢料等化學(xué)試劑不正當(dāng)?shù)奶幚?，?dǎo)致這些城市籠罩在一片朦朧之下，而這些PM2.5顆粒對人的身體也有相當(dāng)大的影響，因此人們越來越關(guān)注霧霾指數(shù)，就像關(guān)注天氣預(yù)報(bào)一樣，人們需要實(shí)時(shí)的檢測來判斷今日是否應(yīng)采取“防護(hù)措施”，政府也需要關(guān)注霧霾指數(shù)來對城市進(jìn)行整治，我們國家對于霧霾的重視程度也日益增長，很多地區(qū)尤其是重工業(yè)地區(qū)都對很多大型企業(yè)進(jìn)行了整治，意在發(fā)展的同時(shí)也能保護(hù)好我們賴以生存的環(huán)境。與此同時(shí)，隨著STM32的研發(fā)問世，讓數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)更加完善。本研究即以STM32、GPRS為基礎(chǔ)，霧霾檢測器為輔，打造的低功耗，高效率的實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

隨著激光霧霾檢測的光電環(huán)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路的研制逐漸成熟[1]，已經(jīng)可以在一定程度上代替濾膜稱重法、β射線法、和震蕩天平發(fā)、衛(wèi)星遙感監(jiān)測[2-3]，并且可以大幅降低成本，并具體展示區(qū)域內(nèi)各處霧霾指數(shù)。

利用單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理并用GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)交由服務(wù)器處理的星型結(jié)構(gòu)，極大提高組網(wǎng)的靈活性，提高采樣密度。

與市場上同類型產(chǎn)品相比，我們的設(shè)備具有聯(lián)網(wǎng)及無線傳輸功能，作為氣象局霧霾數(shù)據(jù)的補(bǔ)充信息。與此同時(shí)，我們的設(shè)備與時(shí)代接軌，充分利用手機(jī)利用率的普及性能將霧霾數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)接到手機(jī)中，并進(jìn)行一系列的優(yōu)化和處理，讓使用者能更有效的了解到霧霾帶來的危害和高效、快速地進(jìn)行霧霾預(yù)防和處理。所形成系統(tǒng)總體構(gòu)架圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體構(gòu)架圖

MCU(STM32F103)是整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的核心。本系統(tǒng)由整個(gè)系統(tǒng)大致由4個(gè)步驟依次完成：

(1)利用攀藤科技G1 PM2.5傳感器采用激光散射原理，精確測量PM2.5濃度，并且功率較小，符合實(shí)際測量需求。

圖3 傳感器原始數(shù)據(jù)

(2)由霧霾傳感器檢測到的數(shù)據(jù)通過USART串口1傳輸給STM32進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，這時(shí)數(shù)據(jù)會在系統(tǒng)版顯示器上顯示。

(3)STM32處理過的數(shù)據(jù)通過串口2傳輸給GPRS模塊，此時(shí)GPRS模塊會通過無線電波將數(shù)據(jù)傳輸給電腦服務(wù)器(此過程需要蜂窩網(wǎng)絡(luò)，中國在低空領(lǐng)域蜂窩網(wǎng)絡(luò)基本覆蓋，因此可以正常使用)。

(4)服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)將原始十六進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成十進(jìn)制，進(jìn)而主要進(jìn)行下面3個(gè)模塊：

1)發(fā)布霧霾數(shù)據(jù)讓使用者得知當(dāng)日霧霾指數(shù)，并顯示所在地各安置點(diǎn)霧霾區(qū)域的濃度指數(shù)繪圖

2)處理霧霾數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)拓展，傳遞更多有用的信息

3)在霧霾數(shù)據(jù)偏高的區(qū)域?qū)ふ椅廴驹床⑻嵝延嘘P(guān)部門進(jìn)行治理整治

1.2 數(shù)據(jù)的流向及過程

本產(chǎn)品最重要的就是最后數(shù)據(jù)的真實(shí)性和時(shí)效性，那么如何進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸就是本系統(tǒng)的一大關(guān)鍵，具體的數(shù)據(jù)流向如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)流向

由霧霾檢測器檢測出的數(shù)據(jù)是以十六進(jìn)制進(jìn)行傳輸，通過串口1傳輸?shù)組CU上面，此時(shí)仍保持十六進(jìn)制數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行“封裝”、“打包”由串口2傳輸?shù)紾PRS模塊中，此時(shí)可以通過AT指令調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇笮。磦鬏敃r(shí)高功耗，不傳輸時(shí)低功耗，這樣可以達(dá)到電量最優(yōu)使用的效果。隨后，收到打包數(shù)據(jù)的GPRS模塊會通過無線電波及蜂窩數(shù)據(jù)的協(xié)助來將數(shù)據(jù)傳輸給服務(wù)器，此時(shí)服務(wù)器收到的數(shù)據(jù)為原始十六進(jìn)制數(shù)據(jù)(如圖3所示)，收到數(shù)據(jù)的服務(wù)器會根據(jù)指定程序語言將十六進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行“拆封”，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化和可視化顯示。

2 霧霾檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在一個(gè)大的區(qū)域范圍內(nèi)檢測霧霾狀況，要著重解決長距離的通訊和n個(gè)檢測點(diǎn)數(shù)據(jù)接收識別和分類存儲。設(shè)計(jì)采用GPRS通訊方法，GPRS通訊網(wǎng)幾乎覆蓋全國各地，通過認(rèn)證接入實(shí)現(xiàn)通訊。指定檢測點(diǎn)的編址規(guī)則，有良好的擴(kuò)展性，以滿足大容量的需求，區(qū)分每一個(gè)檢測點(diǎn)采集的霧霾數(shù)據(jù)。STM32控制著霧霾傳感器和GPRS模塊的運(yùn)行，從霧霾傳感器采集到數(shù)據(jù)，做格式轉(zhuǎn)換和編址后，經(jīng)GPRS模塊發(fā)送至云端服務(wù)器。

2.1 CPU的選取

在實(shí)驗(yàn)室階段采用現(xiàn)成的STM32系統(tǒng)板，完成基本實(shí)驗(yàn)后會自己設(shè)計(jì)主板，并將各功能模塊集中在主板上。STM32開發(fā)板上內(nèi)容十分豐富，而且都有相應(yīng)的標(biāo)注，十分適合做系統(tǒng)版，有很強(qiáng)的開發(fā)空間。 STM32 開發(fā)板載有目前比較通用的液晶顯示模塊接口，還有其比較有特色的兼容性接口。與此同時(shí)，開發(fā)板板載了 NRF24L01 無線模塊的接口。該接口用來連接 NRF24L01等2.4 G無線模塊，從而實(shí)現(xiàn)開發(fā)板與其他設(shè)備的無線數(shù)據(jù)傳輸(注意：NRF24L01 不能和藍(lán)牙/WIFI 連接)。NRF24L01 無線模塊的最大傳輸速度可以達(dá)到2 Mbps，傳輸距離最大 可以到 30 米左右(空曠地?zé)o干擾)。有了這個(gè)接口，我們的霧霾傳感器數(shù)據(jù)的發(fā)送將更加快捷方便。 下一步就是選取芯片，在選取芯片時(shí)需滿足實(shí)時(shí)計(jì)算、傳輸?shù)男阅苄枨螅忠獧?quán)衡功耗，盡量減少電池使用。故選擇STM32F103系列芯片。

2.2 傳感器模塊

關(guān)于霧霾傳感器的選取，我們尤為慎重，在經(jīng)過一系列的對比和資料的整理，最終選取PMS5003作為監(jiān)測霧霾數(shù)據(jù)的傳感器。PMS5003 是一款基于激光散射原理的數(shù)字式通用顆粒物濃度傳感器，可連續(xù)采集并計(jì)算單位體積內(nèi)空氣中不同粒徑的懸浮顆粒物個(gè)數(shù)，即顆粒物濃度分布，進(jìn)而換算成為質(zhì)量濃度，并以通用數(shù)字接口形式輸出。本傳感器可嵌入各種與空氣中懸浮顆粒物濃度相關(guān)的儀器儀表或環(huán)境改善設(shè)備，為其提供及時(shí)準(zhǔn)確的濃度數(shù)據(jù)(具體過程見圖4)。

圖4 霧霾傳感器模塊原理

2.3 GPRS模塊

想到利用GRPS進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸也是考慮到了數(shù)據(jù)需要時(shí)效、快捷、無損地傳導(dǎo)到電腦客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，由于GPRS可提供高達(dá)115 kb的傳輸速率，因此GPRS模塊通過無線電波進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳導(dǎo)很大程度的上保證了數(shù)據(jù)的時(shí)效性和真實(shí)性。利用GPRS也同樣可以保證數(shù)據(jù)“永遠(yuǎn)在線”，他可以保證網(wǎng)絡(luò)的順暢運(yùn)行，而選用SIM900A GPRS模塊主要是保證遠(yuǎn)距離傳輸?shù)男枰?，SIM900A是緊湊型、高可靠性的無線模塊，采用SMT封裝的雙頻GSM/GPRS模塊解決方案，采用功能強(qiáng)大的處理器ARM9216EJ-S內(nèi)核，能滿足低成本、緊湊尺寸的開發(fā)要求。這也正符合了我們設(shè)計(jì)的價(jià)格低廉但小巧實(shí)用的特性。

2.4 數(shù)據(jù)的處理

在電腦接收到霧霾信號時(shí)，實(shí)時(shí)存入SQLite輕型數(shù)據(jù)庫并對其進(jìn)行可視化處理。

(1)根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定》，分別用 綠色，黃色，橙色，紅色，紫色，褐色，褐紅色表示空氣優(yōu)，良，輕度污染，中度污染，重度污染及嚴(yán)重污染。

(2)由于空氣污染物擴(kuò)散模型需要大量數(shù)據(jù)作為支撐，本系統(tǒng)暫時(shí)無法做到，只能實(shí)時(shí)顯示霧霾數(shù)據(jù)。

(3)顯示各觀測點(diǎn)過去24小時(shí)、7天及30天霧霾濃度柱狀圖。

(4)結(jié)合學(xué)校地圖，制作便于觀察的霧霾顯示圖，方便查看。

(5)將以上圖標(biāo)以圖片格式輸出，便于在學(xué)院公眾號上展示。

3 結(jié)果與分析

使用GPRS聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)，突破傳統(tǒng)手持式霧霾檢測儀只能檢測單點(diǎn)數(shù)據(jù)的局限性；實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸使獲得的霧霾數(shù)據(jù)更有科學(xué)性，時(shí)效性。極大程度減少了延時(shí)、錯(cuò)誤數(shù)據(jù)帶來的弊端，結(jié)合大數(shù)據(jù)，云計(jì)算使霧霾數(shù)據(jù)更精確地反映區(qū)域內(nèi)各處霧霾指數(shù)。

將霧霾檢測數(shù)據(jù)通過GPRS通訊傳送到云端服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目旖?、真?shí)、時(shí)效、易讀取的性能。經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后，在地圖上顯示各檢測點(diǎn)霧霾數(shù)據(jù)，具有直觀，可視化的優(yōu)點(diǎn)。小型化設(shè)計(jì)相比專業(yè)氣象設(shè)備大大降低了成本，也便于多處安置，擴(kuò)大了檢測范圍，實(shí)現(xiàn)霧霾大數(shù)據(jù)的采集。應(yīng)用GPRS技術(shù)，使通訊的成本大為降低，不受距離限制，部署容易。經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后，在地圖上顯示各檢測點(diǎn)霧霾數(shù)據(jù)，具有直觀，可視化的優(yōu)點(diǎn)。用戶終端通過訪問云端服務(wù)器作處理在地圖上顯示各檢測點(diǎn)霧霾數(shù)據(jù)，也可以用手機(jī)隨時(shí)查看，快速全面地掌握整個(gè)區(qū)域的霧霾狀況。

4 結(jié)束語

在這個(gè)日新月異、發(fā)展迅速的社會，工業(yè)發(fā)展在迅速升溫的過程中我們賴以生存的地球也受到了不小的危害，看著全世界都在關(guān)注霧霾帶給人類生存以及活動帶來的影響，作為祖國未來?xiàng)澚旱拇髮W(xué)生的我們也有義不容辭的職責(zé)去保護(hù)我們的環(huán)境。當(dāng)單片機(jī)遇到霧霾檢測器、GPRS傳輸以及用C語言編寫的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，我們十分有信心將這些軟件和硬件結(jié)合起來，制造出一個(gè)高效率、低功耗的霧霾檢測系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)不僅能將霧霾數(shù)據(jù)具體化，范圍化，更能將數(shù)據(jù)本身進(jìn)行轉(zhuǎn)換和分析，它可以提醒人們霧霾的危害，也能更好的對霧霾進(jìn)行預(yù)防和控制。我們也將當(dāng)下最流行的STM32融入到我們的設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，旨在利用在先進(jìn)的科技做出最完美的設(shè)計(jì)品。由霧霾傳感器、STM32系統(tǒng)版、GPRS模塊三部分組成的外部硬件將在調(diào)試成功后整理、包裝，成品的外設(shè)霧霾檢測器將是一個(gè)有良好外觀的匣子，不僅如此，我們還會將手機(jī)趨勢考慮其中，數(shù)據(jù)將以多方面的表達(dá)形式進(jìn)行傳輸，其中就包括現(xiàn)在最流行的微信公眾號以及二維碼數(shù)據(jù)模式。當(dāng)然，在治理霧霾和檢測霧霾的專用器械道路上，我們還有很長一段路要走。在中國越來越關(guān)注環(huán)境問題的大環(huán)境下，我們愿貢獻(xiàn)出微薄之力，讓中國的環(huán)境在發(fā)展中越來越好。

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Design of Atmospheric Dynamic Haze Detection System Based on STM32

Shen Xingliang,Li Tianyu,Lu Xinyu

(College of Electronic & Electrical Engineering,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620,China)

STM32 is the mainstream of the embedded application, it led a group of high performance, low cost, low power consumption products. With the industry of our country, by the development of science and technology, has brought rapid economic rise at the same time, but also seriously pollute the living environment, affecting the air quality. Where is the cause of hitherto unknown attention haze which is to exceed the standard content of suspended particles in the atmosphere of the general formulation, especially PM2.5 (aerodynamic equivalent diameter less than or equal to 2.5 micron particles) was found to be the culprit behind the haze weather. Haze monitoring system using the detector and the GPRS conduction. The location of the haze situation real-time monitoring and transmission to the mobile phone terminal, after receiving the integration of the data displayed to the user, to haze monitoring and response to bad weather in advance.

STM32; CPU; GPRS; haze monitoring

2016-12-22；

2017-02-06。

沈行良(1960-)，男，高級工程師，主要從事智能儀器儀表及嵌入式，生產(chǎn)過程的自動化方向的研究。

1671-4598(2017)07-0036-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.07.009

X85

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