基于STM32的手持环境监测系统设计

严学阳，杨笔锋,2，张 杰，刘语嫣

(1.成都信息工程大学，四川 成都 610225； 2.中国气象局大气探测重点开放实验室，四川 成都 610225)

基于STM32的手持环境监测系统设计

严学阳1，杨笔锋1,2，张 杰1，刘语嫣1

(1.成都信息工程大学，四川 成都 610225； 2.中国气象局大气探测重点开放实验室，四川 成都 610225)

工业化进程的加快使得各生产领域对环境信息如温度、湿度等的监控提出了更高要求，因此，研发和设计一种功能多样、操作简单、可靠性高的环境监测仪是有意义的。文章运用传感器技术和嵌入式技术完成了一个手持环境监测系统的设计。系统以STM32F107VC为核心控制处理器模块，配以气压检测模块BMP180、温湿度检测模块DHC1050、GPS模块UBLOX MAX、PM2.5监测模块、有害气体监测模块以及液晶显示模块，便于用户采集查看环境数据，具有实时性和便携性等特点。

传感器; 嵌入式; STM32F107VC; 手持; 环境监测

0 引言

我国是世界上自然灾害最严重的少数国家之一，灾害种类多，发生频率高，分布地域广，造成损失大[1-2]。每次重大自然灾害和社会突发公共事件发生后，交通、电力和通信等都是组织抢险救援最需求的基础措施，而这些基础设施又容易遭到破坏[3]。因此，研制体积小、可靠性高、功耗低、便于携带且能够实时显示的环境监控系统变得尤为迫切。目前常见的环境监控终端由于某些不足往往不能满足某些场合的需求[4]，如测量设备体积较大、实时性差、精度低等，还需花费较多的人力。随着单片机技术、传感器技术、通信技术、计算机等技术的快速发展，环境监测技术也日新月异。各种实时性好、精度高,且适应各种苛刻环境的测量系统己被开发出来,在社会各个领域得到了广泛应用。美国Onset计算机公司出品的HOBO H8系列是一款外观小巧、使用简便的数据采集器,适用于室内、室外等环境因子的长期测量和记录。国内也有类似产品，如北京机械工业学院以超低功耗单片机MSP430P325为核心，制成了便携式、高精度、低功耗的测温仪。本文研究了一种基于STM32的手持环境监测系统，该系统已经具备了温度、湿度、气压、海拔、PM2.5、PM10、经度、纬度、GPS时钟等测量功能，可以广泛运用于生产生活环境的实时测量，为各种生产生活活动提供及时准确的环境监测信息。

1 系统总体设计

该手持环境监测仪以STM32为核心控制处理器模块[5]，配以气压检测模块、温湿度检测模块、GPS模块、PM2.5监测模块、有害气体检测模块以及显示模块。核心控制处理器模块STM32F107VC功耗低、体积小、成本低、功能强、外围模块丰富。温湿度检测模块使用TI公司的具有体积小、质量轻、数据采集简单方便等特点的HDC1050数字低功耗高精度温湿度传感器，采集周围环境的温度以及相对湿度；气压检测模块通过德国BOSCH公司研发的测量精度较高且功耗低、体积小的BMP180数字式气压传感器测量环境气压；GPS模块通过U-blox公司研发的GPS定位芯片测量气象仪所处经纬度及海拔高度数据，实现定位和授时的功能；PM2.5监测模块实现PM1.0、PM2.5和PM10的监测功能；有害气体检测模块设计成可选配活动模块，可以根据需求更换有害气体传感器来满足检测需要；液晶显示模块主要用于对以上几个模块的监测值进行输出，让人可以直观地看到这些功能所监测到的数值。通过软件编程协调各部分工作，实现体积小、低功耗手持环境监测仪的设计。系统总体设计框图如图1所示。

2 系统硬件原理分析

设计的硬件系统包括以STM32F107VC微处理器为核心的外围电路，温湿度传感器、气压传感器、PM2.5监测传感器、气体传感器及GPS经纬度海拔高度模块信号采集电路，以及数据显示、数据存储及数据传输电路等。

2.1 单片机处理模块

本设计选用的核心处理器模块STM32F107VC是STM32互联型系列微控制器，此芯片集成了以太网、CAN总线、RS485、RS232、USB OTG等各种高性能工业标准接口。其标准外设包括10个定时器、两个12位1 Ms/s采样速率的AD(模数转换器)、两路12位DA(数模转换器)等，可以应用于多种工业场合。在核心处理器的基础上，充分利用其集成的外设单元，设计相应的外围接口电路，实现了需求功能[6]，降低了系统成本。该芯片引脚封装如图2所示。

2.2 GPS模块

GPS模块采用UBLOX公司低功耗的MAX7Q芯片，该芯片通过串口和STM32连接，系统采用3.3 V供电，为了提高信号的灵敏度，信号接收采用有源天线。同时由于该模块内部没有Flash，每次上电必须对该模块重新配置，保证处理器时间的准确性。UBLOX MAX7Q电路连接如图3所示。

2.3 显示模块

设计采用的TFT-LCD即薄膜晶体管液晶显示屏以其优异的显示效果在短短十几年时间内成为LCD的主流技术[7]，其具有驱动电压低、功率消耗小、反应速度快、显示画面质量好等优点，目前被广泛应用于手机、PDA等由电池驱动的便携式电子仪器中，可满足摄像、游戏和视频等动态影像播放的要求。该显示模块使用320×240点阵TFT-LCD液晶屏，液晶屏原理图如图4所示。

2.4 气压检测模块

系统选用便于集成的BMP180作为气压检测传感器。BMP180是博世公司出产的一款高精度、小体积、低能耗的传感器，可以直接通过I2C总线接口[8]与微处理器进行相连。其原理图如图5所示。

2.5 温湿度检测模块

温湿度检测模块使用HDC1050。此传感器的工作温度在-40℃～+125℃之间，工作电压在2.7 V～5.5 V，采用3 mm×3 mm封装，体积小，满足手持环境监测仪的工作环境要求。温湿度检测模块原理图如图6所示，采用3.3 V供电。

2.6 PM2.5监测模块

PMS5003是一款基于激光散射原理的数字式通用颗粒物浓度传感器,可用于PM2.5的监测，该传感器可嵌入各种与空气中悬浮颗粒物浓度相关的仪器仪表或环境改善设备，为其提供及时准确的浓度数据。PM2.5监测模块原理图如图7所示。

3 系统软件设计

嵌入式软件KEIL uVision4集成开发环境[9]提供了一个简单友好的窗口界面用于程序开发和调试。嵌入式软件主要任务包括系统初始化、气象要素采集、PM2.5数据采集、气体数据采集、经纬度海拔高度采集、数据液晶显示以及实时时钟。嵌入式软件程序运行流程图如图8所示。

嵌入式软件程序的思想是首先对系统硬件进行初始化，包括对系统时钟、GPIO口、中断的配置，对各数字传感器寄存器进行初始化，对I2C总线、SPI总线、ADC、RTC实时时钟、USART、内部内存池及各芯片等初始化[10]。然后检测RTC实时时钟是否设置好系统时间，如已经设好系统时间则各要素传感器及GPS经纬度海拔高度模块每隔1 min进行一次数据采集，经微处理器数据处理后转换成要素值实时显示在液晶屏上。

4 系统测试结果

该手持环境监测仪数据显示是通过STM32微处理器的FSMC总线驱动LCD液晶显示屏来实现的，液晶屏数据每1 min更新一次。图9为成都信息工程大学综合气象观测场2016年6月13日20时19分采集到的数据。从液晶屏上可以看到当时气温为25.8 ℃，湿度为73.97 %RH，气压为946.42 hPa，当时测试点所处经度为东经103.593 67°，纬度为北纬30.351 634°，海拔高度为498.0 m，PM1.0的值为44，PM2.5的值为62，PM10的值为76，1 L空气中半径2.5 μm以上的颗粒数为20。因此可以看出气象仪能正常采集并显示各要素数据。

5 结论与展望

通过实际应用证明，该手持环境监测仪运行稳定，实现了对各气象要素的监测。与其他同类环境监测仪相比，该设备具有以下优点：

(1)该系统稳定性高且设计简单，用户不需要掌握太多电子技术就可以操作应用，且设备体积小，便于携带。

(2)系统充分考虑成本问题，选用目前市场上同类器件中性价比较高的元器件，不但满足系统工作性能要求，而且大幅降低了成本。

(3)系统采用的芯片为低功耗类型，电路设计合理，在很大程度上减少了系统耗电，延长了待机时间。

由于受研究时间和测试条件的限制，系统有以下两方面的问题亟待改进：

(1)手持环境监测仪实现了数据的实时显示，作为更长远的发展，可以添加数据的存储、传输和查询功能并与上位机进行通信，使测试的数据管理更加有效。

(2) 手持环境监测仪系统后续需进行外场试验，与常规自动站进行数据对比，优化测量程序进一步提高测量精度和准确度。

[1] 王晓晶,赵银花，宋柏林，等.基于STM32生产环境监控系统[J].长春工业大学学报(自然科学版),2015，36(1):61-62.

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[4] 李楠，李建义，张红亮，等.基于STM32的环境监控终端的设计与实现[J].北华航天工业学院学报,2013，23(1):15-19.

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[8] 李会坤. 基于S3C2440与GPRS的嵌入式环境数据采集系统设计[D].长春:吉林大学, 2016.

[9] 程小艳. 嵌入式STM32F107VCT6微处理器接口模块开发及应用研究[D].合肥:合肥工业大学, 2012.

[10]李宁.基于MDK的STM32处理器应用开发[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008.

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

严学阳，杨笔锋，张杰，等.基于STM32的手持环境监测系统设计[J].微型机与应用，2017,36(5)：88-90，94.

2016-10-11)

严学阳(1994-)，女，硕士研究生，主要研究方向：气象探测、信号与信息处理。

杨笔锋(1980-)，男，硕士，副教授，主要研究方向：气象探测、电子综合设计。

张杰(1991-)，男，硕士研究生，主要研究方向：气象探测、电子通信。