基于北斗定位的多參數(shù)城市環(huán)境監(jiān)測儀

崔群　梁鑒如　光金正　高文建

摘 要 文章介紹了一種基于單片機(jī)且有定位功能的環(huán)境監(jiān)測儀。該監(jiān)測儀以stm32f103單片機(jī)為核心，采用低功耗設(shè)計(jì)，利用北斗導(dǎo)航芯片定位授時(shí)，通過溫度傳感器，濕度傳感器，噪聲傳感器，PM2.5傳感器實(shí)現(xiàn)多功能環(huán)境參數(shù)的采集整理，同時(shí)具有LED屏顯示和人機(jī)交互功能。

關(guān)鍵詞 環(huán)境監(jiān)測儀 定位 單片機(jī) 信息采集

0 引言

目前市場上有很多流通的環(huán)境監(jiān)測儀，但是很多的儀器不具備定位功能，不能更仔細(xì)地檢測一個(gè)區(qū)域的環(huán)境信息。還有現(xiàn)在很多監(jiān)測儀精度不高。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)可以定位的測量溫度，濕度，噪聲和PM2.5的低功耗的環(huán)境監(jiān)測。

1 基于環(huán)境監(jiān)測的環(huán)境檢測儀模塊設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

檢測儀的主控芯片采用ST半導(dǎo)體公司的Cortex-M3系列的單片機(jī)，采用北斗導(dǎo)航模塊接收衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)和授時(shí)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)包括北斗導(dǎo)航模塊，顯示模塊，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），電源模塊組成。①主要完成對定位到局部區(qū)域的空氣質(zhì)量，溫濕度以及噪音情況進(jìn)行監(jiān)測?？傮w結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。一臺儀器可以同時(shí)監(jiān)測四種參數(shù)，該儀器工作方式為自動(dòng)采樣自動(dòng)分析，測量濃度直接在顯示屏上顯示。STM32F103是增強(qiáng)系列的MCU，擁有72MHZ的運(yùn)行頻率，能夠完成北斗導(dǎo)航芯片的數(shù)據(jù)解析，顯示屏的掃描更新，同時(shí)能夠滿足用戶交互任務(wù)的需求。MCU自帶的異步串口USART可以對接導(dǎo)航芯片，同步串口SPI外設(shè)可用于控制顯示模塊的刷屏，TIM的輸入捕獲功能可以實(shí)現(xiàn)對PM2.5檢測模塊的數(shù)據(jù)捕獲。采用質(zhì)量輕儲能高的鋰電池為系統(tǒng)的供電電源，采用可視角度大、功耗低的彩色液晶屏作為顯示模塊。②同時(shí)系統(tǒng)還設(shè)置了紅色預(yù)警系統(tǒng)，當(dāng)檢測的值超過了規(guī)定的值，顯示會出現(xiàn)顏色變化進(jìn)行預(yù)警。

1.2 溫度傳感器電路

溫度測量電路采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20。③DS18B20只有一個(gè)串行通信接口，即單線制傳感器，DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。這樣的系統(tǒng)允許每一個(gè)掛在總線上的區(qū)間都能在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間驅(qū)動(dòng)它。由于DS18B20的單線制特性，其發(fā)送和接收必須為三態(tài)特性，其出具口為漏極開路輸出，而且我們采用的是外加電源供電，因此外接上拉電阻，在常態(tài)下呈現(xiàn)高電平狀態(tài)。

DS18B20測溫范圍在55℃～+125℃，精度為？.1℃。工作電源：3.0～5.5V/DC。

DS18B20的溫度讀取過程為：復(fù)位→發(fā)SKIP ROM命令（0XCC）→發(fā)開始轉(zhuǎn)換命令（0X44）→延時(shí)→復(fù)位→發(fā)送SKIP ROM命令（0XCC）→發(fā)讀存儲器命令（0XBE）→連續(xù)讀出兩個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)（即溫度）→結(jié)束。

1.3 濕度傳感器電路

我們采用DHT11濕度傳感器作為濕度傳感器。DHT11技術(shù)性能特征：工作電壓范圍：3.3V-5.5V。工作電流 ：平均0.5mA。輸出：單總線數(shù)字信號。測量范圍：濕度20～90%RH。精度：濕度？%。分辨率：濕度1%。

DHT11數(shù)字濕溫度傳感器采用單總線數(shù)據(jù)格式。單個(gè)數(shù)據(jù)引腳端口完成輸入輸出雙向傳輸。其數(shù)據(jù)包由5Byte（40Bit）組成。數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分，一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40bit，高位先出。

DHT11的數(shù)據(jù)格式為：8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit校驗(yàn)和。

其中校驗(yàn)和數(shù)據(jù)為前四個(gè)字節(jié)相加。

傳感器數(shù)據(jù)輸出的是未編碼的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)（濕度、溫度、整數(shù)、小數(shù)）之間應(yīng)該分開處理。

我們這里選擇的DHT11也可以測量溫度，但由于它的精度不高，測量范圍較DS18B20小，所以我們只采用濕度測量。

用戶MCU發(fā)送一次開始信號后，DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，等待主機(jī)開始信號結(jié)束后，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號，送出40bit的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信號采集，用戶可選擇讀取部分?jǐn)?shù)據(jù)。從模式下，DHT11接收到開始信號觸發(fā)一次濕度采集，如果沒有接收到主機(jī)發(fā)送開始信號，DHT11不會主動(dòng)進(jìn)行濕度采集。采集數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)換到低速模式。

1.4 PM2.5傳感器電路

我們選擇GP2Y1051AU0F作為傳感器，GP2Y1051AU0F是灰塵（粉塵）傳感器由光學(xué)傳感系統(tǒng)一個(gè)紅外發(fā)光二極管（IRED）和光電子晶體管是對角布置在該裝置中組成的。它是通過檢測空氣中塵埃的反射光計(jì)算粉塵的濃度。尤其是它可以有效地檢測到非常細(xì)的顆粒像香煙煙霧。

工作溫度：-10-+65℃；工作電壓：4.8-5.2V；靈敏度：0.5V/（0.1mg/m3）

最小粒子檢知能力：0.03%em 。

我們通過灰塵傳感器測出的數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)，通過接收到的數(shù)據(jù)長度轉(zhuǎn)化為輸出電壓，再通過粉塵濃度計(jì)算公式：Ud=A*Vout（其中Ud為粉塵濃度，位為ug/m3；Vout為傳感器輸出信號，單位為V；A為比例系數(shù)）最后得出PM 值。

1.5 噪聲傳感器電路

通過外界噪聲的大小，噪聲模塊捕獲信號，通過AD采集，利用 AD采集分貝公式：150*AD1/AD =分貝，得到分貝參數(shù)。AD1為當(dāng)前采集到的AD值，AD為AD精度。

1.6 北斗導(dǎo)航模塊

我們采用UM220-3-N模塊作為我們的導(dǎo)航模塊。工作電壓為2.7～3.3V。是目前市場上尺寸最小的完全國產(chǎn)化的北斗/GPS模塊，集成度高、功耗低，非常適合對尺寸、功耗要求高的北斗規(guī)模應(yīng)用。UM220-III 模塊采用和芯星通Ultra-Sense 高靈敏度設(shè)計(jì)，能夠在弱信號條件下提供優(yōu)異的捕獲、跟蹤靈敏度，保持接收機(jī)定位的連續(xù)性和可靠性。定位精度：2.0m CEP。

1.7 電源方案

系統(tǒng)采用7.2V（2S）放電能力大的鋰電池供電，鋰電池質(zhì)量輕、儲能密度高，能夠滿足系統(tǒng)的要求。傳感器使用5V供電，控制器、顯示器、北斗芯片采用3.3V供電。北斗芯片另外使用線性穩(wěn)壓器AMS-1117 3.3V供電；考慮到控制器對電源性能要求較高，通過低壓差線性穩(wěn)壓器LD29150可獲得最大1.5A的3.3V電源，用于控制器和顯示器供電；傳感器模塊使用AMS-1117 另外產(chǎn)生的一路5V供電。

2 軟件設(shè)計(jì)

基于STM32F103的環(huán)境監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)采用C語言編寫程序。其主要完成對溫度傳感器，濕度傳感器，噪聲傳感器，PM2.5傳感器的測量值進(jìn)行計(jì)算以及相應(yīng)的顯示和預(yù)警功能。還有對測量目的地的定位和精確授時(shí)的顯示。程序設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)初始化，復(fù)位程序，溫度，濕度，PM2.5，噪聲采集轉(zhuǎn)化顯示程序，定位授時(shí)顯示程序，預(yù)定值預(yù)警程序，其總體流程圖如圖2顯示。

5 結(jié)語

采用stm32單片機(jī)作為核心控制器，采用北斗定位模塊、溫度、濕度、噪聲和PM2.5模塊作為外圍電路設(shè)計(jì)了一種低功耗的多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測儀。測試結(jié)果表明，該儀器測量結(jié)果較精確，基本滿足環(huán)境參數(shù)監(jiān)測的要求。