基于STM32的PM2.5監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

孫昌 朱浩華 高凱

摘 ?要：PM2.5是嚴(yán)重影響空氣質(zhì)量的污染物，如何實(shí)時(shí)精確地監(jiān)測(cè)該物質(zhì)的含量是亟待解決的問(wèn)題。目前，高精準(zhǔn)的PM2.5監(jiān)測(cè)器成本高且體積大。為實(shí)現(xiàn)設(shè)備輕量化，文章結(jié)合嵌入式開(kāi)發(fā)方案解決系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能需求。該裝置以STM32為硬件平臺(tái)，能夠滿(mǎn)足日常生活中對(duì)空氣PM2.5監(jiān)測(cè)的需求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)PM2.5濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：PM2.5;設(shè)備輕量化;STM32;實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：X851 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：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(guó)工業(yè)化進(jìn)程飛速發(fā)展的同時(shí)也給環(huán)境問(wèn)題帶來(lái)了巨大壓力，當(dāng)前各大城市的PM2.5值高居不下，空氣質(zhì)量嚴(yán)重超標(biāo)。對(duì)公眾健康構(gòu)成巨大威脅[1]。

PM2.5在空氣中滯留周期長(zhǎng)，危害范圍廣[2]。其生化機(jī)理復(fù)雜，在大氣成云化學(xué)反應(yīng)中存在很多未知性。PM2.5的產(chǎn)生有人為因素和自然因素，近年來(lái)受人類(lèi)活動(dòng)影響較大。PM2.5對(duì)空氣污染、大氣能見(jiàn)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(shè)計(jì)使用嵌入式開(kāi)發(fā)解決方案滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的功能要求。目的是設(shè)計(jì)出能夠?qū)M2.5濃度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控和顯示的輕量化裝置，其拓展功能包括GSM無(wú)線(xiàn)控制模塊。

2系統(tǒng)總體框架

2.1 需求分析

本裝置設(shè)計(jì)是基于STM32為控制核心的室內(nèi)PM2.5監(jiān)測(cè)設(shè)備。能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)智能遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。本文設(shè)計(jì)的PM2.5監(jiān)測(cè)儀的功能和指標(biāo)見(jiàn)表1。

2.2 系統(tǒng)框架

系統(tǒng)框架由九部分組成：STM32處理器，PM2.5監(jiān)測(cè)模塊，溫、濕度監(jiān)測(cè)模塊，報(bào)警裝置，顯示模塊，無(wú)線(xiàn)收發(fā)裝置，電源模塊，USB充電接口以及MICRO_SD擴(kuò)展接口。系統(tǒng)框架如圖1所示。

MCU模塊以Cortex-M3內(nèi)核處理器STM32F103系列為核心，低功耗、集成度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、處理數(shù)據(jù)速度快。

傳感器模塊是該裝置的核心部件。根據(jù)設(shè)計(jì)要求分析，采用激光型PM2.5監(jiān)測(cè)傳感器。其可以準(zhǔn)確測(cè)量灰塵顆粒，并輕松處理收集的數(shù)據(jù)。

顯示模塊使用易于搭載的LCD顯示屏-LCD12864。其特點(diǎn)是硬件接口簡(jiǎn)單，僅占用有限的I/O資源。其硬件電路較同類(lèi)型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊要簡(jiǎn)潔得多[3]，價(jià)格也相對(duì)實(shí)惠。可以成功完成實(shí)時(shí)顯示監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的任務(wù)。

系統(tǒng)報(bào)警裝置采用聲光混合報(bào)警的解決方案，最大程度的吸引用戶(hù)的注意力。該模塊在預(yù)警中發(fā)揮著重要作用。

無(wú)線(xiàn)傳輸模塊使用GSM收發(fā)器。該設(shè)計(jì)利用了SMS自身在GSM網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸功能和SMS應(yīng)用程序的遠(yuǎn)程智能控制。

電源模塊為每個(gè)模塊使用單獨(dú)的電源解決方案，以避免每個(gè)部件相互干擾。為了實(shí)現(xiàn)便攜式感測(cè)和控制該系統(tǒng)的功率消耗，該系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為智能切換的雙電源系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)方式是通過(guò)組合一個(gè)可再充電的電源模塊和一個(gè)固定的功率適配器模塊。系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有兩個(gè)特性：便攜、可控低功耗。

3 傳感器選型

PMS1003系列是一種數(shù)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(shí)間函數(shù)的散射光強(qiáng)度曲線(xiàn)。內(nèi)部處理器使用基于米氏理論（MIE）的算法來(lái)導(dǎo)出具有不同粒子數(shù)的每單位體積的等效粒度和粒子數(shù)量。

PMS1003模塊的電路接口如圖2所示。

4 軟件設(shè)計(jì)

首先，初始化STM32F103C6T6串行端口1并允許串行端口接收DMA。任務(wù)主體首先激活PMS1003的SET引腳（上拉），使其進(jìn)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(shù)據(jù)，并連續(xù)5次讀取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)讀取完畢將SET引腳設(shè)置為低電平。然后，通過(guò)平均濾波方法處理所獲得的五個(gè)數(shù)據(jù)。最后將處理的數(shù)據(jù)發(fā)送到另一個(gè)任務(wù)。每分鐘讀取、處理和傳輸一次數(shù)據(jù)。PM2.5監(jiān)測(cè)主程序的流程圖如圖3所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

本裝置的監(jiān)測(cè)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(shí)測(cè)過(guò)程中具備較高的測(cè)量精度。此外，該傳感器內(nèi)置微處理器，對(duì)系統(tǒng)CPU起到一定的減負(fù)作用。該設(shè)計(jì)使用LCD12864實(shí)時(shí)顯示測(cè)量的PM2.5數(shù)據(jù)，為用戶(hù)提供精準(zhǔn)、可靠的參考信息。該裝置移動(dòng)方便，性?xún)r(jià)比高，具備一定的使用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]王剛，吳成志.美國(guó)大氣許可中PM2.5評(píng)估方法及對(duì)中國(guó)的啟示[J].環(huán)境影響評(píng)價(jià)，2015（6）：49-51.

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

[3]賈向朝.基于GSM無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的地下水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[D].陜西：陜西科技大學(xué)，2008.