基于STM32的PM2.5监测装置设计

孙昌 朱浩华 高凯

摘  要：PM2.5是严重影响空气质量的污染物，如何实时精确地监测该物质的含量是亟待解决的问题。目前，高精准的PM2.5监测器成本高且体积大。为实现设备轻量化，文章结合嵌入式开发方案解决系统设计的功能需求。该装置以STM32为硬件平台，能够满足日常生活中对空气PM2.5监测的需求，实现了对PM2.5浓度的实时监测。

关键词：PM2.5;设备轻量化;STM32;实时监测

中图分类号：X851         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）18-0038-02

Abstract： PM2.5 is a pollutant which seriously affects the air quality. How to monitor the content of this substance in real time and accurately is an urgent problem to be solved. At present， the high precision PM2.5 monitor has high cost and large volume. In order to realize the lightweight of the equipment， this paper combines the embedded development scheme to solve the functional requirements of the system design. The device takes STM32 as the hardware platform， can meet the needs of air PM2.5 detection in daily life， and realizes the real-time monitoring of PM2.5 concentration.

Keywords： PM2.5; lightweight of equipment; STM32; real-time monitoring

1 概述

我国工业化进程飞速发展的同时也给环境问题带来了巨大压力，当前各大城市的PM2.5值高居不下，空气质量严重超标。对公众健康构成巨大威胁[1]。

PM2.5在空气中滞留周期长，危害范围广[2]。其生化机理复杂，在大气成云化学反应中存在很多未知性。PM2.5的产生有人为因素和自然因素，近年来受人类活动影响较大。PM2.5对空气污染、大气能见度以及大气能量平衡的影响巨大。

鉴于PM2.5的研究背景，该设计使用嵌入式开发解决方案满足设计的功能要求。目的是设计出能够将PM2.5浓度数据实时监控和显示的轻量化装置，其拓展功能包括GSM无线控制模块。

2系统总体框架

2.1 需求分析

本装置设计是基于STM32为控制核心的室内PM2.5监测设备。能够实现实时监测，实时显示数据并实现智能远程监测。本文设计的PM2.5监测仪的功能和指标见表1。

2.2 系统框架

系统框架由九部分组成：STM32处理器，PM2.5监测模块，温、湿度监测模块，报警装置，显示模块，无线收发装置，电源模块，USB充电接口以及MICRO_SD扩展接口。系统框架如图1所示。

MCU模块以Cortex-M3内核处理器STM32F103系列为核心，低功耗、集成度高、结构简单、处理数据速度快。

传感器模块是该装置的核心部件。根据设计要求分析，采用激光型PM2.5监测传感器。其可以准确测量灰尘颗粒，并轻松处理收集的数据。

显示模块使用易于搭载的LCD显示屏-LCD12864。其特点是硬件接口简单，仅占用有限的I/O资源。其硬件电路较同类型的图形点阵液晶显示模块要简洁得多[3]，价格也相对实惠。可以成功完成实时显示监控数据的任务。

系统报警装置采用声光混合报警的解决方案，最大程度的吸引用户的注意力。该模块在预警中发挥着重要作用。

无线传输模块使用GSM收发器。该设计利用了SMS自身在GSM网络中的数据传输功能和SMS应用程序的远程智能控制。

电源模块为每个模块使用单独的电源解决方案，以避免每个部件相互干扰。为了实现便携式感测和控制该系统的功率消耗，该系统被设计为智能切换的双电源系统。实现方式是通过组合一个可再充电的电源模块和一个固定的功率适配器模块。系统设计具有两个特性：便携、可控低功耗。

3 传感器选型

PMS1003系列是一种数字通用粒子浓度传感器。它使用激光散射原理。激光照射并散射空气中的悬浮颗粒，并以一定角度收集散射光，以获得作为时间函数的散射光强度曲线。内部处理器使用基于米氏理论（MIE）的算法来导出具有不同粒子数的每单位体积的等效粒度和粒子数量。

PMS1003模块的电路接口如图2所示。

4 软件设计

首先，初始化STM32F103C6T6串行端口1并允许串行端口接收DMA。任务主体首先激活PMS1003的SET引脚（上拉），使其进入正常工作模式。然后延迟10秒钟可靠地工作，每2秒读取一次数据，并连续5次读取数据。数据读取完毕将SET引脚设置为低电平。然后，通过平均滤波方法处理所获得的五个数据。最后将处理的数据发送到另一个任务。每分钟读取、处理和传输一次数据。PM2.5监测主程序的流程图如图3所示。

5 结束语

本装置的监测模块采用激光型PM2.5传感器，基于激光散射的工作原理，在实测过程中具备较高的测量精度。此外，该传感器内置微处理器，对系统CPU起到一定的减负作用。该设计使用LCD12864实时显示测量的PM2.5数据，为用户提供精准、可靠的参考信息。该装置移动方便，性价比高，具备一定的使用价值。

參考文献：

[1]王刚，吴成志.美国大气许可中PM2.5评估方法及对中国的启示[J].环境影响评价，2015（6）：49-51.

[2]肖美，郭琳，何宗健.空气环境中PM2.5研究进展[J].江西化工，2006（4）：43-45.

[3]贾向朝.基于GSM无线网络的地下水文监测系统[D].陕西：陕西科技大学，2008.