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1、基于 STM32 的智能环境监控系统设计 唐俊龙 贾新亮 王超 彭永达 王龙 谢海情 长沙理工大学物理与电子科学学院 摘 要： 基于 STM32 芯片, 设计一种智能环境监控系统。采用 Altium Designer 软件完成电路原理图和 PCB 版图设计, 应用 Visual Basic 和 KeilVision4 编写程序实现传感器数据采集、无线信号的传输控制和可视化人机交互界面。采用冗余检查和软件滤波方法, 保证数据的准确性和完整性。完成实物制作并测试, 结果显示该系统具有对烟雾浓度、环境温度、气压、PM2.5 及湿度等指标进行监控与报警的功能。关键词： 环境监测; 智能控制; STM3
2、2; 无线通信; 作者简介：谢海情 电话:+8673185258224, 邮箱:xhq_Design of Intelligent environmental monitoring system bases on STM32Tang JunLong Jia XinLiang Chao Wang Peng YongDa Long Wang Xie HaiQing School of Physics & Electronic Science, Changsha University of Science Abstract： A kind of intelligent environmental m
3、onitoring system bases on STM32 was designed. Altium Designer software was adopted to complete the circuit schematic and PCB layout. The program was implemented by Visual Basic and Keil u Vision4 to realize sensor data acquisition, wireless signal transmission control and visualization interactive i
4、nterface. The system could achieve the monitoring and alarming function for Smoke concentration, ambient temperature, pressure and PM2.5 and humidity.Keyword： Environmental monitoring; STM32; Wireless communication; 1 引言随着工业技术的快速发展, 环境问题已经成为全球所关注的问题。在环境保护系统中, 时常要对众多污染排放点进行实时监测。大部分监测数据需要实时发送到管理中心的后端服
5、务器进行处理。由于监测点分散、分布范围广, 传统的有线传输数据方式并不能很好地适应整个环境监测系统的需要1。因而, 在环境检测系统的领域, 低成本低功耗的无线通信具有巨大的应用前景, 被认为是将对 20 世纪产生巨大影响的技术之一2。传统的环境监测系统中的无线通信方式主要有 n RF24L01、Zigbee、GPRS 和蓝牙, Zigbee 技术的主要优点是:低功耗待机模式, 通信时延短, 通信时具有编码功能, 可靠、安全。在传输速率不是很快的要求下, 底层硬件通信数量较多时, 可以使用 Zig Bee 作为通信。但是价格相对于 n RF24L01 会昂贵得多。GPRS 通信可直接提供 RS-
6、232、RS-485 接口、为用户数据设备提供透明的传输通道, 连接简单。并且, GPRS 通信可以做到实时在线, 快速连接上 GPRS 网络, 传输速度较快。GPRS 网络的传输速度根据不同的网络运营商而不同, 但是普遍可以稳定 2060kbps 的数据传输。然而, GPRS 流量是需要收费的, 所以通常不用其作为检测系统的无线通信方式。蓝牙模块的体积小, 通信接口多, 具有基带射频的通信协议, 并可与手机直接通信。但其操作复杂, 需要通过编程来设计模块, 在设计中需要考虑核心协议和应用剖面9。由于在环境检测系统中只有简单的数据传输, 所以不采用蓝牙模块进行无线通信。作为工业级的控制器, S
7、TM32 系列具有良好的系统稳定性, 高性能, 功耗低等优点。与传统环境监测系统所使用的 STC89C51、STC89C52 相比, 其最大的优势是在保持低功耗的基础上, 同时提高了处理能力10。本文采用 STM32 芯片作为主控制模块, 通过 n RF24L01 模块完成数据无线传输, 设计一种室内环境监测系统, 能实现对环境的温度、气压、烟雾、PM2.5 以及湿度等指标进行实时监测具有简单, 移动性强, 准确, 经济实用的优点。2 系统硬件设计本文提出的智能环境监测系统框图如图 1 所示, 其中处理器模块包括 STM32 主芯片模块和 USB 通信模块, 外部设备模块包括 NRF24L01
8、 无线网络模块和各传感器模块。本系统采用 MQ-2 烟雾传感器、D S 1 8 B 2 0 温度传感器、B M P 1 8 0 气压传感器、GP2Y1010AU0F 粉尘传感器作为 PM2.5 传感器、SHT11 湿度传感器。图 1 系统结构框图 下载原图2.1 处理器模块STM32 最小系统原理图如图 2 所示, 包括以下几个模块:复位电路、时钟电路、电源模块。图 2 STM32 最小系统原理图 下载原图(1) 复位电路:复位电路由一个贴片按键, 一个 1K 的贴片电阻, 一个 10F 的无极性电容构成。NRST 连接到 STM32 的复位引脚上。上电时, 电容开始储能, 拉低 NRST 引
9、脚电平。复位端口为低电平, 导致系统复位。这样就构成了上电复位。Key 作为按键, 当没有按下时断开, 由于电容的存在, NRST 为高电平。按下后, NRST 被拉低为低电平, 产生复位信号。(2) 时钟电路:采用外部时钟, 选取频率为 8M 的无源石英振荡器 Y1。C6、C7 为负载电容, 取值为 22p F。负载电容对石英振荡器器的稳定振荡起到非常好的作用。Y1 的 1, 、2 两脚分别连接到 STM32 的 OCS_IN 的引脚上。外部产生的 8M时钟, 通过内部 PLL 电路 9 倍频后作为 72M 的系统时钟。(3) 稳压电源:STM32 的要求的是 3.3V 的电源供电, 由于传
10、感器等其他设备需要的是 5V 供电。为满足供电需求, 使用 AMS1117-3.3 来做线性稳压电源, 把5V 直接降压稳压到 3.3V。2.2 CH340 模块CH340 的硬件电路图如图 3 所示。TXD、RXD 是与 STM32 通信的串口引脚, 连接到 STM32 的硬件串口上。XI、XO 是时钟电路的两个时钟输出。XI、XO 作为时钟输入, 给 CH340 提供稳定的时钟, 提高与 PC 机通信的稳定性。D+、D-为 CH340的输出引脚, CH340 将 STM32 串口数据类型转成与 PC 机通信的 USB 口。图 3 CH340 硬件电路 下载原图2.3 无线通信模块如图 4
11、所示的 n RF24L01 硬件电路图。CE 为该模块数据传输的使能端, 拉低后使能。CLK 为该模块与 STM32 通信时候的数据时钟。MOSI、MISO 两个为该模块与 STM32 通信时候的数据引脚。在一个 CLK 内通过输出高低电平来表示数据 1或 0。其中 CE、CLK、MOSI、MISO 与 STM32 的硬件 SPI 相连, 方便与对 n RF24L01 的数据读取和工作模式的设置。图中的 Y1 与 C3、C2 构成的时钟电路给 n RF24L01 提供稳定的工作时钟以稳定的调制信号并解调信号。该模块与CH340 与 STM32 最小系统构成了主节点控制器。图 4 n RF24L
12、01 硬件电路 下载原图3 系统软件设计系统软件设计包括底层 CPU 的软件设计和上层移动终端的软件设计。底层 CPU的软件设计包括主节点控制器的软件设计、节点控制器的软件设计。3.1 底层 CPU 的软件设计底层主控芯片为 STM32, 使用 KeilVision4 作为主要的开发平台。(1) 节点控制器的软件设计节点控制器的软件编程流程图如图 5 (a) 所示。节点控制器的编程分两个部分, 分别是各个传感器模块的驱动以及数据接收处理;n RF24L01 的驱动以及数据的传输。驱动程序的处理主要是将各传感器和 n RF24L01 的驱动程序移植到STM32 里。除了器件的驱动, 节点控制器还
13、需要对数据进行处理。对传感器传回的数据进行软件滤波。数据存储下来后, 将数据进行加入帧数据头, 节点编号, 冗余检查 (CRC) , 帧数据位等操作。最后通过 NRF24L01 将一帧数据发给主控制器。(2) 主控制器的软件设计主控器的软件流程图所示如图 5 (b) 所示。程序先做初始化, 初始化 STM32 内部的各个模块。然后检测是否存在 n RF24L01 模块。检测存在后进入下一步。当定时器满足 10S 计时后开始将存储的各项数据传输给 PC 机;在不满足定时器10S 计时的情况下, n RF24L01 为一直等待接收数据状态。当接收到数据后, 覆盖掉之前的数据。主控器的软件编写可以直
14、接移植节点控制器的 NRF24L01 的驱动。接收到的一帧数据后, 先通过 CRC 检验。把正确的数据帧直接用 STM32 内自带的串口传输到 CH340, 再由 CH340 通过 USB 直接传给 PC。如果 CRC 检验出错可以通过发送再次传输一个数据的信号给节点控制器, 让其重新发送一次数据帧直到传输的数据通过 CRC 检验或者是等到下一个数据帧而直接抛弃这一个数据。图 5 软件流程图 下载原图(a) 节点控制器流程图 (b) 主控制器流程图3.2 上位机软件设计上位机软件考虑的是 PC 机的数据接收处理, 采用 VB 语言来完成。首先要处理的是对下位机传输过来的数据进行检验, 主要是检
15、验传输数据帧的完整性。其次就是 VB 界面的设计, 其界面设计为显示当前的温度, 湿度, 气压, PM2.5 浓度等, 此外还有一个用于当室内的甲烷或液化气的浓度高于平常值报警的警示灯。4 实物制作与性能测试绘制电路图, 制作 PCB, 最终完成系统的实物制作, 如图 6 所示。图 6 系统制作实物 下载原图图 6 系统制作实物 下载原图(a) 主节点控制器 (b) 主节点控制器安装各个节点控制器, 插入主控制器, 打开上位机软件。观察上位机上的数据变化, 并对比仪器测量数据, 确认数据的完全正确。如图 7 (a) 所示。设定各节点传感器在安全范围内的环境量变化, 测试其报警功能。如图 7 (
16、b) 所示。烟雾报警功能在上位机上以绿色的原点表示正常量。报警时原点变红色, 并使 PC 机发出蜂鸣声。测试结果显示, 该系统功能完全正确。图 7 系统测试结果 下载原图(a) 上位机采集数据显示 (b) 上位机报警功能显示5 结论采用 STM32 作为主控芯片, NRF24L01 作为无线信号传输, 应用 VB 完成上位机软件编写, 设计一种智能环境检测系统。通过 CRC 检验保证各个节点控制器与主控制器传输间数据可靠性和完整性。采用软件滤波方法保证各个传感器数据的准确性。在上位机完成很好地可视化人机界面。通过测试, 该系统能够正确地完成对环境中的烟雾、温度、气压、PM2.5 和湿度测量和报警功能。参考文献1赵岑, 陈传忠.影响我国环境监测系统效能的问题及建议J.中国环境监测, 2013, 06:5-8. 2刘洪涛, 程良伦.具有移动汇聚节点的环境监测系统设计J.计算机工程与应用, 2010, 19:7-9+24. 3赵春江, 屈
