基于STM32的大气环境监测系统.pdf

2023 年第 7 期130计算机应用信息技术与信息化基于 STM32 的大气环境监测系统任昕泽1 王浩全1 常欣雨1REN Xinze WANG Haoquan CHANG Xinyu 摘要 为了远程监测大气环境，设计了一种基于 stm32 单片机与 4G 芯片的大气环境监测系统。系统以 stm32芯片为核心，通过 BH1750 光照传感器、VEML6070 紫外线传感器及 SHT21 温湿度传感器采集大气环境数据，利用 IIC 总线读取，以 4G 模块与云端建立连接，利用 SPI 协议与 MQTT 协议将采集到的环境数据分别传输至 OLED 屏与阿里云物联网平台，实现下位机的环境数据显示与 PC 端对环境数据的远程监测。经实验表明，排除特殊干扰项，此监测系统在测试电路与 PC 端相距一公里时，测量数据与标准数据最大误差范围为 2.3%，PC 端显示时间均在 5 s 以内，因此该系统具有远距离传输性，精确性，快速性，能够完成对环境数据采集及远程显示。关键词 STM32F103ZET6；数据采集；4G 传输；物联网doi：10.3969/j.issn.1672-9528.2023.07.0331.中北大学信息与通信工程学院 山西太原 0300510 引言随着大气环境污染问题越发严重，空气质量的话题近年来备受大众讨论1。由于臭氧层的破坏和玻璃幕墙在城市内广泛使用23，新型环境污染光污染被频繁提及。其中，白亮污染和紫外线污染因为人们白天出行夜晚休息的习惯，更是对人体以及环境造成不可逆的伤害。因此，本文针对光照强度，紫外线强度等环境信息进行监测。国内对于大气环境监测的研究主要分为两种方法45：一种是人工取样分析法，这种方法工作周期长，实时性差，难以完成对大气环境实时监测的任务。另一种是基于无线通信方式的在线监测法，张慧颖等6人采用蓝牙通信技术，通过传感器组实现对温湿度，光照强度，烷类气体（如 CH4、C3H8、C4H10）的远程监测，马永杰等7人以 STM32F103 为核心，通过多传感器对温湿度，天然气（CH4）以及访客图像进行实时监测，王文博等8人利用 Zig Bee 技术，通过搭建传感器节点和网关节点实现对大气的远程监测。这些方法虽然具有实时性强，采样精准等优点，但是仍有传输距离较短，非便携等问题的存在。同时，市面上大多数大气环境监测系统存在体积大，测量精确性较低，不便于远程监测等问题。所以，研发一款满足较高的测量精度，便于远程监测，便于携带等特性的大气环境监测系统是有必要的。针对以上问题，本文采用 4G 通信的方法，设计了基于STM32 单片机与阿里云物联网平台协同工作的大气环境监测系统。同时满足对环境数据监测的实时性与远距离性的要求，也解决了非便携的问题。硬件电路方面，本文设计了多个接地电容以及上拉电阻接入传感器端口用来提高测量的精确性。同时采用数字型芯片 BH1750、VEML6070 与 SHT21，用来提高系统的精确性，稳定性，降低系统运行功耗，在三块传感器同时运行时每分钟功耗小于 5.3 mW,空闲模式下小于 1.5 W，便于在应用中的持续工作。1 系统总体设计方案本系统主要实现采集，传输，云端显示三个功能，由STM32 主控模块，环境信息采集模块，显示模块，4G 通信模块和电源模块等组成。系统总体框图如图 1 所示。图 1 系统总体框图环境信息采集模块将光照强度，紫外线强度，温湿度信号转换成电信号，经过芯片内放大电路，AD 电路和数据处理，变成二进制数存入传感器寄存器中。由 MCU 读出，将数值打包分别送入 OLED 寄存器和 4G 模块寄存器，并由 4G模块传输至云端，完成数值在 OLED 屏幕及 PC 端的显示。2 硬件电路2.1 STM32 主控模块STM32 主 控 模 块，选 用 意 法 半 导 体 公 司 出 品 的STM32F103ZET6 微控制器芯片。该芯片是 32 位高性能ARM Cortex-M3 处理器，内部具有 8 MHz 的高速 RC 振荡器，可由内部锁相环倍频至 72 MHz，以此作为系统时钟9-10，满足系统对大气环境数据采集，缓存，传输的速度要求。2023 年第 7 期131计算机应用信息技术与信息化2.2 环境信息采集模块此模块由光照强度采集模块，紫外线强度采集模块以及温湿度采集模块共同组成。2.2.1 光照强度采集模块该模块是基于 BH1750 芯片设计的，如图 2 所示。BH1750 是一款数字型光强度传感器集成芯片，具有功耗低，高精度等优点。内部由光敏二极管、运算放大器、A/D 转换等电路组成。开始采集时，光敏二极管在光线照射下 PN 节电流电压大小均发生变化，但此时变化较为微小，因此通过连接放大器，放大电压电流的变化值，后经过 A/D 进行模数转换，将电压信号转换成16位的二进制数存储在内部寄存器。图 2 光照强度采集电路为保证电路正常工作，必须满足 ADR 端口电压大于等于 0.7VCC，由此加入 4.7 k 分压电阻。同时，电路中加入接地电容，完成对电路的滤波操作。2.2.2 紫外线强度采集模块该模块是基于 VEML6070 芯片设计的。该芯片利用Filtron TM UV 技术对紫外光谱进行感测。VEML6070 对紫外光具有线性敏感性与高灵敏度的特点。该电路如图 3 所示，为抗电磁干扰及提高输出电平，本电路在该芯片的 IIC 时钟和数据通信端口接入阻值 2.2 k 的上拉电阻，上拉电阻阻值的选择可根据式（1）与式（2）确定。图 3 紫外线强度采集电路(min)()/RVDD VOLIOL=（1）(max)/0.8473*RtrCb=（2）其中，R(min)为上拉电阻最小值，R(max)为上拉电阻最大值，VDD 为供电电压值，VOL 为接口最大输出电压，IOL为接口最大电流，tr 为高电平上升时间，Cb 为总线电容。在本设计中，为保证信号波形的良好性，IIC 总线电容选择为 200 PF。同时，IIC 通信协议采用标准通信协议模式即可满足本系统对速度的要求。因此tr为1 s。由式（1）可知，上拉电阻最大阻值为 4.7 k。由表 1 可知，最小电阻阻值为966.67。本设计采用通用的 2.2 k 电阻。表 1 VEML6070 电压电流数值表参数测试条件符号最小值 典型值 最大值单位供电运行电压-VDD2.7-5.5V电源电流电阻=240 kIDD-100250UAIIC 信号输入-VIH1.5-VDDVP-0.8峰值灵敏度波长-0.1-355-nm光谱灵敏度范围-320-410nmUVA 敏感性电阻=240 k-5-W/cm2/step最大 UVA 检测功率电阻=240 k-328Mw/cm2输出偏置电阻=240 k-2-steps关机电流光照条件：黑暗IDD-115UA2.2.3 温湿度信息采集模块该模块是基于 SHT21 芯片设计的。SHT21 具有较高且可调的分辨率（8/12 bit 至 12/14 bit 的 RH/T），满足设计对分辨精度的要求（RH/T 代表湿度/温度）。采集时，温湿度信息的变化引起芯片内置电容与能隙传感器间电压的变化，由于此变化十分微小，因此通过内部放大器放大变化数值，再经过 A/D 转换与信号处理后通过 SDA 端口输出十进制数值。信号处理方式如式（3）与式（4）所示。T=-46.85+175.72ST/216 （3）RH=-6+125SRH/216 （4）T 代表十进制温度值，RH 代表十进制湿度值，ST 代表A/D 转换后的二进制温度值，SRH 代表 A/D 转换后的二进制湿度值。温湿度采集电路如图 4 所示。设计思路与紫外线强度采集电路设计思路一致，上拉电阻值计算参考式（1）、式（2）。以上三个模块，通过IIC总线与STM32主控模块相连接，BH1750，VEML6070，SHT21 上的通信接口为 IIC，且这三个芯片为从机，STM32 主控模块为主机，I2 C 有两根线，分别是 SDA 和 SCL，当 SCL 处于高电平，SDA 电平下降时，开始传输数据。开始传输后，SCL 处于高电平时，SDA 的数据为所传输的数据。当 SCL 处于高电平，SDA 电平上升时，停止传输数据。数据 IIC 通信时序图如图 5 所示。图 4 温湿度信息采集电路图2023 年第 7 期132计算机应用信息技术与信息化图 5 数据 IIC 通信时序图2.3 显示模块显示模块采用分辨率为 12864 的有机发光二极管，该模块具有功耗低、体积小、成本低等优点，通过 SPI 协议实现与主控模块的连接，主要实现光照强度，紫外线强度，温湿度，时间日期等信息的显示，显示模块电路如图 6 所示。图 6 显示模块电路图2.4 电源模块电源模块分为供电电路如图 7 所示与降压稳压电路如图 8 所示。供电电路通过 USB-MICRO-B 接口为系统提供5 V 供电电压，降压稳压电路为部分不耐 5 V 电压的芯片提供稳定的 3.3 V 电压。降压稳压电路芯片采用CJA1117B-3V3，它 是一款线性恒压芯片，内有防倒灌及限压电路。通 过 USB-MICRO-B 接口提供的 5 V 电压，经过该芯片降压后，向部分电路提供稳定的 3.3 V 电压。图 8 电源管理电路图2.5 4G 通信模块该模块实现的功能是单片机系统通过 4G 信号与云端进行连接通信。STM32 主控模块接收到通过 IIC 总线传来数据后，将环境数据通过 UART 接口传输到 ATK-M750无线通信模块中，并进行数据打包和识别，最后以规范的MQTT 通信协议进行数据传输。4G 通信模块电路如图 9 所示。图 9 4G 通信模块电路图3 系统程序逻辑设计上电复位后，系统首先开始初始化操作，配置各个寄存器，IO 口，定时器，IIC 与 UART 接口并进行系统自检，检查各个模块是否正常运行，各个接口是否能正常读写数据等。初始化完成且系统正常运行后，按下按键发出启动信号，STM32 主控模块通过 IIC 总线读取各模块采集到的当前数据，再通过 SPI 接口与 UART 接口，将数据送入OLED 与 4G 模块寄存器中，并调用子程序分别发出对应的指令，完成数据在 OLED 上显示及上传云端。数据上传流程如下所示：本设计采用阿里云物联网平台内自定义的产品与设备作为数据接收端，并自建物模型完成显示。单片机利用 MQTT协议通过 4G 模块将数据传输至云端。（1）依据物联网平台自建设备的 MQTT 连接参数配置4G 模块。如消息服务等级为 0，清楚会话状态为 1，遗嘱保留状态为 0，保持连接时间为 300 s 等。（2）上电复位后 4G 模块进入 MQTT 模式，并与阿里云建立连接。（3）将 STM32 主控模块读出的数据依据 JSON 格式，写入内存某地址中。JSON 格式为：method:thing.event.property.post,id:0000000001,params:temperature:20,version:1.2.7。（4）将该地址内数据通过 uart 接口写入 4G 模块寄存器，再发送至云端，由自建物模型接收并完成显示。JSON 格式中，id 为消息 ID 号，具有唯一性，取值范围0-4294967295。Method 为请求方法，取值为 thing、event、property、post。Params 为属性标识符，取值为数据当前值。Version 为协议版本号，本系统所用版本为 1.2.7。4 实验测试与分析测试平台由阿里云物联网与集成电路组成。集成电路由STM32 主控模块，环境信息采集模块，4G 模块等构成。为了测试系统对数据的远距离传输与显示，实验将测试平台与PC 监测端相距 1 km 远。得到如图 10 所示数据。图 7 供电电路图 2023 年第 7 期133计算机应用信息技术与信息化图 10 云端数据显示图为了查看系统的精确性和稳定性，实验测试了室内室外以及不同时间段的数据。数据测试及分析结果如表 2、表3，图 11(a)、(b)、(c)、(d)和图 12(a)、(b)、(c)、(d)所示。其中 T 代表温度，单位为 F，H 代表湿度，单位为%RH，E 代表光照强度，单位为 LX，UV 代表紫外线强度，单位为W/M2。表 2 室内大气环境数据测量表9 点12 点15 点18 点21 点测量T/F1717171616H/%RH5144465252E/LX103118123116116UV/W/M200000标准T/F1717171616H/%RH5243475253E/LX110110110110110UV/W/M200000误差T/F00000H/%RH11101E/LX781376UV/W/M200000表 3 室外大气环境数据测量表9 点12 点15 点18 点21 点测量T/F9131399H/%RH7972959697E/LX192203204205UV/W/M211100标准T/F9131399H/%RH7972959697E/LX190200205205UV/W/M211100误差T/F00000H/%RH00000E/LX23100UV/W/M200000从表 2、表 3 可知，除在室内测量光照强度时误差较大，其余最大误差范围为 2.3%。经过分析得知，在室内测量白炽灯光照强度时，会受收到室外光线干扰因为产生较大误差。由此可证明本设计的环境监测系统可以正常工作。5 结语本文研究并设计了基于 STM32 单片机的大气环境远程监测系统。在工作中，本人完成了 PCB 设计与程序编写，通过软硬件协同运行，实现了对大气环境的远程监测。本系统具有较高的精确性：排除受室外光线干扰的测量室内光照强度项，其余最大误差范围为 2.3%，稳定的响应时间：云端显示时间均小于 5 s，体积小便于携带：集成电路板大小为15 cm10 cm 等优点。本系统不仅可用于对大气环境的监测，还可适用于智能家庭，对大棚养殖环境的监测等领域中，运用在这些领域中可以继续开发环境数值的异常报警，信息提醒等功能。因此该系统具有良好的应用前景。(a)室内温度测量与标准值 (b)室内光照强度测量与 对比 标准值对比 (c)室内湿度测量与标准值 （d）室内紫外线强度测量与 对比 标准值对比图 11 室内大气环境数据测量值与标准值对比图(c)室外光照强度测量与标准 （d）室内紫外线强度测量与 值对比 标准值对比 (a)室外温度测量与标准值 (b)室外湿度测量与标准值 对比 对比图 12 室外大气环境数据测量值与标准值对比图2023 年第 7 期134计算机应用信息技术与信息化参考文献：1 吴婧,周秋霞.物联网技术在环保产业的应用研究综述 J.价值工程,2015,34(10):274-277.2 应申,唐茉,张馨月,等.三维城市的玻璃幕墙光污染分析J.武汉大学学报(信息科学版),2021,46(05):610-619.3 唐正宏.光污染 J.科学,2012,64(05):44-47+63.4 耿军涛,周小佳,张冰洁.基于无线传感器网络的大气环境监测系统设计 J.西华大学学报(自然科学版),2007(04):44-46+96.5 魏晨辉,张浩晨,宿晓锋.以物联网为基础的大气环境PM2.5 实时监测系统 J.电子技术与软件工程,2018(01):15.6 张慧颖,田东生.基于蓝牙技术的实验室环境监测系统设计 J.实验室研究与探索,2018,37(08):290-293.7 马永杰,黄松茂.基于 WiFi 网络的家庭环境远程监测系统设计 J.测控技术,2017,36(12):97-99.8 王 文 博,赵 培 陆,梅 笑 冬,等.基 于 Zig Bee 的 无 线传 感 器 网 络 大 气 监 测 系 统 设 计 J.传 感 器 与 微 系统,2014,33(02):83-86.9 冯仰刚,谢乾坤,强立宏,等.TM32F103ZET6 最小系统设计 J.电子世界,2013(05):141-142.10YAO L S,GUANG Y Z,LI W,et al.Parameter measuring system based on STM32J.Applied mechanics and materials,2013,2700：411-414.【作者简介】任昕泽（1999），男，山西吕梁人，硕士研究生，学生，研究方向：图像处理、硬件开发。王浩全（1971），男，山西太原人，教授，研究生导师，研究方向：无损检测技术、成像与识别技术。常欣雨（1998），女，山西长治人，硕士研究生，学生，研究方向：信号与信息处理、无损检测。（收稿日期：2023-01-30 修回日期：2023-03-20）省级国土空间生态修复监管系统建设研究孙振喜1 吴宗钒2 生海迪1 李 晋1 马东平2SUN Zhenxi WU Zongfan SHENG Haidi LI Jin MA Dongping 摘要 国土空间生态修复是新时代建设生态文明的重要着力点，基于山东省国土空间生态修复监管系统的建设实践经验，归纳阐述了省级国土空间生态修复监管系统的必要性和紧迫性、系统建设思路和建设成效，并结合系统各模块的具体功能介绍了其在促进生态修复项目监管责任落实、业务数据纵横贯通、推进国土空间生态修复全域、全要素、全业务链闭环管理等方面发挥的关键作用，为后续国土空间生态修复系统建设提供了理论和经验参考，以期为国土空间生态修复现代化治理体系建设和治理能力提升贡献力量。关键词 生态文明；国土空间；生态修复；信息系统 doi：10.3969/j.issn.1672-9528.2023.07.0341.山东省国土空间数据和遥感技术研究院 山东济南 2500022.上海数慧系统技术有限公司 上海 2012030 引言工业革命以来，人类对矿石、石油等各种不可再生资源的开发广度和深度都已达到极限，对原本具有自然恢复能力的土壤、陆地、海洋等资源的使用也正在接近极限，产生了诸如原始森林消失、气候变化、生物多样性锐减和生态系统退化等全球性的生态问题1-4，对人类的生存和发展构成了重大风险。面对全球性的生态问题和挑战，党的十八大把生态文明纳入到了经济、政治、文化、社会和生态文明五位一体建设布局，在国家层面频繁出台相关政策文件，并在历届的政府工作报告和重大规划中，明确了生态文明建设、生态保护修复的战略部署及工作内容，“人与自然生命共同体”“山水林田湖草沙系统治理”“绿水青山就是金山银山”等社会主义生态文明观逐步深入人心5。我国过去的生态修复研究主要聚焦于水、土等单一生态要素，或某个单一生态过程，导致治标不治本的问题较为突出，因此强调系统性、整体性和综合性的国土空间生态修复理念应运而生，成了推进生态文明建设的重大举措6。近年来，我国开展的一系列生态保护工程，如三北防护林建设工程、长江中上游水土保持重点防治工程、山水林田湖草沙一体化