基于STM32的智能环境监控系统设计.doc

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Keil u Vision!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;STM32;无线通信;作者简介：谢海情 :+8673185258224,邮箱：xhq 1080163. comDesign of Intelligent environmentaimonitoring system bases on STM32Tang JunLong Jia XinLiang Chao Wang Peng YongDaLong Wang Xie HaiQingSchool of Physics & Electronic Science, ChangshaUniversity of Science & Technology;Abstract：A kind of int elligent env ironmen tai monitoring 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 Vision! to realize sensor data acquisition, wireless signal transmission control and visualization interactive interface. 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 commtmication;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丄口因而，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 世纪产牛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门RP24L01、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-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，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20~60kbps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，并可与直接 通信。

但其操作复朵，需要通过编程來设计模块，在设计中需要考虑核心协议和 应用剖而凹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，STM32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无线网络模块和各传感器 模块木系统采用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、GP2YI0I0AU0F粉尘传感器作为PM2. 5传感器、SIIT11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、 屯源模块。

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10 uF的无 极性屯容构成\RST连接到STM32的复位引脚上上屯时，屯容开始储能，拉 低NRST引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， XRST被拉低为低电平，产牛复位信号⑵ 时钟电路:采用外部时钟，选取频率为8M的无源石英振荡器YlC6、C7为 负载电容，取值为22p Fo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. 3Vo2. 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、X0是时钟电路的两个时钟输出。

XI、X0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内通过输出高低屯平来表示数据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 RF24L01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KeiluVision4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來后，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nRF24L01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，门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检验把止确的数据帧直接用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育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语言來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 @)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(b)所 示烟雾报警功能在上位机上以绿色的原点表示止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。

а） 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，屈利华，陈明，杨信廷，孙传恒，李文勇.基于Zig Bee的温室环境 监测图像传感器节点设计[J] •农业机械学报，2012, 11:192-196.[4] 潘韵，孙兰娟.基于Zigbee无线网络的温室环境监测系统的设计与实现[J]. 计算机与应用化学，2014, 07:807-811.[5] 郑争兵•基于门RF24L01和GSM的沼气工程无线监测系统设计[J] •核电子学与 探测技术，2013, 08:。