基于STM32的手持環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

嚴(yán)學(xué)陽(yáng)，楊筆鋒,2，張 杰，劉語(yǔ)嫣

(1.成都信息工程大學(xué)，四川 成都 610225； 2.中國(guó)氣象局大氣探測(cè)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610225)

基于STM32的手持環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

嚴(yán)學(xué)陽(yáng)1，楊筆鋒1,2，張 杰1，劉語(yǔ)嫣1

(1.成都信息工程大學(xué)，四川 成都 610225； 2.中國(guó)氣象局大氣探測(cè)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610225)

工業(yè)化進(jìn)程的加快使得各生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)Νh(huán)境信息如溫度、濕度等的監(jiān)控提出了更高要求，因此，研發(fā)和設(shè)計(jì)一種功能多樣、操作簡(jiǎn)單、可靠性高的環(huán)境監(jiān)測(cè)儀是有意義的。文章運(yùn)用傳感器技術(shù)和嵌入式技術(shù)完成了一個(gè)手持環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)以STM32F107VC為核心控制處理器模塊，配以氣壓檢測(cè)模塊BMP180、溫濕度檢測(cè)模塊DHC1050、GPS模塊UBLOX MAX、PM2.5監(jiān)測(cè)模塊、有害氣體監(jiān)測(cè)模塊以及液晶顯示模塊，便于用戶采集查看環(huán)境數(shù)據(jù)，具有實(shí)時(shí)性和便攜性等特點(diǎn)。

傳感器; 嵌入式; STM32F107VC; 手持; 環(huán)境監(jiān)測(cè)

0 引言

我國(guó)是世界上自然災(zāi)害最嚴(yán)重的少數(shù)國(guó)家之一，災(zāi)害種類多，發(fā)生頻率高，分布地域廣，造成損失大[1-2]。每次重大自然災(zāi)害和社會(huì)突發(fā)公共事件發(fā)生后，交通、電力和通信等都是組織搶險(xiǎn)救援最需求的基礎(chǔ)措施，而這些基礎(chǔ)設(shè)施又容易遭到破壞[3]。因此，研制體積小、可靠性高、功耗低、便于攜帶且能夠?qū)崟r(shí)顯示的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)變得尤為迫切。目前常見的環(huán)境監(jiān)控終端由于某些不足往往不能滿足某些場(chǎng)合的需求[4]，如測(cè)量設(shè)備體積較大、實(shí)時(shí)性差、精度低等，還需花費(fèi)較多的人力。隨著單片機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的快速發(fā)展，環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)也日新月異。各種實(shí)時(shí)性好、精度高,且適應(yīng)各種苛刻環(huán)境的測(cè)量系統(tǒng)己被開發(fā)出來(lái),在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。美國(guó)Onset計(jì)算機(jī)公司出品的HOBO H8系列是一款外觀小巧、使用簡(jiǎn)便的數(shù)據(jù)采集器,適用于室內(nèi)、室外等環(huán)境因子的長(zhǎng)期測(cè)量和記錄。國(guó)內(nèi)也有類似產(chǎn)品，如北京機(jī)械工業(yè)學(xué)院以超低功耗單片機(jī)MSP430P325為核心，制成了便攜式、高精度、低功耗的測(cè)溫儀。本文研究了一種基于STM32的手持環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)已經(jīng)具備了溫度、濕度、氣壓、海拔、PM2.5、PM10、經(jīng)度、緯度、GPS時(shí)鐘等測(cè)量功能，可以廣泛運(yùn)用于生產(chǎn)生活環(huán)境的實(shí)時(shí)測(cè)量，為各種生產(chǎn)生活活動(dòng)提供及時(shí)準(zhǔn)確的環(huán)境監(jiān)測(cè)信息。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該手持環(huán)境監(jiān)測(cè)儀以STM32為核心控制處理器模塊[5]，配以氣壓檢測(cè)模塊、溫濕度檢測(cè)模塊、GPS模塊、PM2.5監(jiān)測(cè)模塊、有害氣體檢測(cè)模塊以及顯示模塊。核心控制處理器模塊STM32F107VC功耗低、體積小、成本低、功能強(qiáng)、外圍模塊豐富。溫濕度檢測(cè)模塊使用TI公司的具有體積小、質(zhì)量輕、數(shù)據(jù)采集簡(jiǎn)單方便等特點(diǎn)的HDC1050數(shù)字低功耗高精度溫濕度傳感器，采集周圍環(huán)境的溫度以及相對(duì)濕度；氣壓檢測(cè)模塊通過德國(guó)BOSCH公司研發(fā)的測(cè)量精度較高且功耗低、體積小的BMP180數(shù)字式氣壓傳感器測(cè)量環(huán)境氣壓；GPS模塊通過U-blox公司研發(fā)的GPS定位芯片測(cè)量氣象儀所處經(jīng)緯度及海拔高度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)定位和授時(shí)的功能；PM2.5監(jiān)測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)PM1.0、PM2.5和PM10的監(jiān)測(cè)功能；有害氣體檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)成可選配活動(dòng)模塊，可以根據(jù)需求更換有害氣體傳感器來(lái)滿足檢測(cè)需要；液晶顯示模塊主要用于對(duì)以上幾個(gè)模塊的監(jiān)測(cè)值進(jìn)行輸出，讓人可以直觀地看到這些功能所監(jiān)測(cè)到的數(shù)值。通過軟件編程協(xié)調(diào)各部分工作，實(shí)現(xiàn)體積小、低功耗手持環(huán)境監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件原理分析

設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)包括以STM32F107VC微處理器為核心的外圍電路，溫濕度傳感器、氣壓傳感器、PM2.5監(jiān)測(cè)傳感器、氣體傳感器及GPS經(jīng)緯度海拔高度模塊信號(hào)采集電路，以及數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)傳輸電路等。

2.1 單片機(jī)處理模塊

本設(shè)計(jì)選用的核心處理器模塊STM32F107VC是STM32互聯(lián)型系列微控制器，此芯片集成了以太網(wǎng)、CAN總線、RS485、RS232、USB OTG等各種高性能工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口。其標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)包括10個(gè)定時(shí)器、兩個(gè)12位1 Ms/s采樣速率的AD(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)、兩路12位DA(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)等，可以應(yīng)用于多種工業(yè)場(chǎng)合。在核心處理器的基礎(chǔ)上，充分利用其集成的外設(shè)單元，設(shè)計(jì)相應(yīng)的外圍接口電路，實(shí)現(xiàn)了需求功能[6]，降低了系統(tǒng)成本。該芯片引腳封裝如圖2所示。

2.2 GPS模塊

GPS模塊采用UBLOX公司低功耗的MAX7Q芯片，該芯片通過串口和STM32連接，系統(tǒng)采用3.3 V供電，為了提高信號(hào)的靈敏度，信號(hào)接收采用有源天線。同時(shí)由于該模塊內(nèi)部沒有Flash，每次上電必須對(duì)該模塊重新配置，保證處理器時(shí)間的準(zhǔn)確性。UBLOX MAX7Q電路連接如圖3所示。

2.3 顯示模塊

設(shè)計(jì)采用的TFT-LCD即薄膜晶體管液晶顯示屏以其優(yōu)異的顯示效果在短短十幾年時(shí)間內(nèi)成為L(zhǎng)CD的主流技術(shù)[7]，其具有驅(qū)動(dòng)電壓低、功率消耗小、反應(yīng)速度快、顯示畫面質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，目前被廣泛應(yīng)用于手機(jī)、PDA等由電池驅(qū)動(dòng)的便攜式電子儀器中，可滿足攝像、游戲和視頻等動(dòng)態(tài)影像播放的要求。該顯示模塊使用320×240點(diǎn)陣TFT-LCD液晶屏，液晶屏原理圖如圖4所示。

2.4 氣壓檢測(cè)模塊

系統(tǒng)選用便于集成的BMP180作為氣壓檢測(cè)傳感器。BMP180是博世公司出產(chǎn)的一款高精度、小體積、低能耗的傳感器，可以直接通過I2C總線接口[8]與微處理器進(jìn)行相連。其原理圖如圖5所示。

2.5 溫濕度檢測(cè)模塊

溫濕度檢測(cè)模塊使用HDC1050。此傳感器的工作溫度在-40℃～+125℃之間，工作電壓在2.7 V～5.5 V，采用3 mm×3 mm封裝，體積小，滿足手持環(huán)境監(jiān)測(cè)儀的工作環(huán)境要求。溫濕度檢測(cè)模塊原理圖如圖6所示，采用3.3 V供電。

2.6 PM2.5監(jiān)測(cè)模塊

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,可用于PM2.5的監(jiān)測(cè)，該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)。PM2.5監(jiān)測(cè)模塊原理圖如圖7所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

嵌入式軟件KEIL uVision4集成開發(fā)環(huán)境[9]提供了一個(gè)簡(jiǎn)單友好的窗口界面用于程序開發(fā)和調(diào)試。嵌入式軟件主要任務(wù)包括系統(tǒng)初始化、氣象要素采集、PM2.5數(shù)據(jù)采集、氣體數(shù)據(jù)采集、經(jīng)緯度海拔高度采集、數(shù)據(jù)液晶顯示以及實(shí)時(shí)時(shí)鐘。嵌入式軟件程序運(yùn)行流程圖如圖8所示。

嵌入式軟件程序的思想是首先對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行初始化，包括對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘、GPIO口、中斷的配置，對(duì)各數(shù)字傳感器寄存器進(jìn)行初始化，對(duì)I2C總線、SPI總線、ADC、RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘、USART、內(nèi)部?jī)?nèi)存池及各芯片等初始化[10]。然后檢測(cè)RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘是否設(shè)置好系統(tǒng)時(shí)間，如已經(jīng)設(shè)好系統(tǒng)時(shí)間則各要素傳感器及GPS經(jīng)緯度海拔高度模塊每隔1 min進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，經(jīng)微處理器數(shù)據(jù)處理后轉(zhuǎn)換成要素值實(shí)時(shí)顯示在液晶屏上。

4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

該手持環(huán)境監(jiān)測(cè)儀數(shù)據(jù)顯示是通過STM32微處理器的FSMC總線驅(qū)動(dòng)LCD液晶顯示屏來(lái)實(shí)現(xiàn)的，液晶屏數(shù)據(jù)每1 min更新一次。圖9為成都信息工程大學(xué)綜合氣象觀測(cè)場(chǎng)2016年6月13日20時(shí)19分采集到的數(shù)據(jù)。從液晶屏上可以看到當(dāng)時(shí)氣溫為25.8 ℃，濕度為73.97 %RH，氣壓為946.42 hPa，當(dāng)時(shí)測(cè)試點(diǎn)所處經(jīng)度為東經(jīng)103.593 67°，緯度為北緯30.351 634°，海拔高度為498.0 m，PM1.0的值為44，PM2.5的值為62，PM10的值為76，1 L空氣中半徑2.5 μm以上的顆粒數(shù)為20。因此可以看出氣象儀能正常采集并顯示各要素?cái)?shù)據(jù)。

5 結(jié)論與展望

通過實(shí)際應(yīng)用證明，該手持環(huán)境監(jiān)測(cè)儀運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各氣象要素的監(jiān)測(cè)。與其他同類環(huán)境監(jiān)測(cè)儀相比，該設(shè)備具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)該系統(tǒng)穩(wěn)定性高且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，用戶不需要掌握太多電子技術(shù)就可以操作應(yīng)用，且設(shè)備體積小，便于攜帶。

(2)系統(tǒng)充分考慮成本問題，選用目前市場(chǎng)上同類器件中性價(jià)比較高的元器件，不但滿足系統(tǒng)工作性能要求，而且大幅降低了成本。

(3)系統(tǒng)采用的芯片為低功耗類型，電路設(shè)計(jì)合理，在很大程度上減少了系統(tǒng)耗電，延長(zhǎng)了待機(jī)時(shí)間。

由于受研究時(shí)間和測(cè)試條件的限制，系統(tǒng)有以下兩方面的問題亟待改進(jìn)：

(1)手持環(huán)境監(jiān)測(cè)儀實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，作為更長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展，可以添加數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、傳輸和查詢功能并與上位機(jī)進(jìn)行通信，使測(cè)試的數(shù)據(jù)管理更加有效。

(2) 手持環(huán)境監(jiān)測(cè)儀系統(tǒng)后續(xù)需進(jìn)行外場(chǎng)試驗(yàn)，與常規(guī)自動(dòng)站進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，優(yōu)化測(cè)量程序進(jìn)一步提高測(cè)量精度和準(zhǔn)確度。

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Design of handheld environmental monitoring system based on STM32

Yan Xueyang1,Yang Bifeng1,2,Zhang Jie1,Liu Yuyan1

(1.Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, China; 2.The Key Laboratory of China Meteorological Administration, Chengdu 610225, China)

The acceleration of the industrialization process has put forward higher requirements for environmental information such as temperature, humidity and so on in the field of production. Therefore, it is meaningful to develop and design a environmental monitoring instrument which has various functions, simple operation and high reliability. This paper uses the sensor technology and embedded technology to complete the design of a handheld environmental monitoring system. The system takes STM32F107VC as the core control processor module, with air pressure detecting module BMP180,temperature and humidity detection module DHC1050, GPS module UBLOX MAX, PM2.5 monitoring module,harmful gas monitoring module and liquid crystal display module. It is convenient for users to collect and check environment data, and it has the characteristics of real-time and portability.

sensor; embedded; STM32F107VC;handheld;environmental monitoring

TP274.2

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.05.026

嚴(yán)學(xué)陽(yáng)，楊筆鋒，張杰，等.基于STM32的手持環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(5)：88-90，94.

2016-10-11)

嚴(yán)學(xué)陽(yáng)(1994-)，女，碩士研究生，主要研究方向：氣象探測(cè)、信號(hào)與信息處理。

楊筆鋒(1980-)，男，碩士，副教授，主要研究方向：氣象探測(cè)、電子綜合設(shè)計(jì)。

張杰(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向：氣象探測(cè)、電子通信。