基于STM32的火电厂空气质量无线监测系统设计

慕灯聪 李峥 朱旋

摘 要：设计一款基于STM32的火电厂空气质量无线监测系统.系统通过激光式PM2.5传感器和温湿度传感器，采集火电厂空气中PM2.5和温湿度的值，采用网络分区法将数据上传给数据汇聚节点，再由汇聚节点上传给PC.综合测试结果表明，该系统能够准确、实时显示火电厂周围区域的空气质量参数，可长时间稳定工作，具有广泛的应用前景.

关键词：火电厂;空气质量;PM2.5传感器;STM32

[中图分类号]TN915.85   [文献标志码]A

Abstract：A wireless monitoring system for air quality in thermal power plants based on STM32 is proposed in this paper.The system can collect the value of PM2.5，temperature and humidity of the environment by using the laser sensor PM2.5，temperature and humidity sensor.The network partition method is used to upload the data to sink nodes，then the sink nodes upload the data to PC.After the test，The system can accurately and real-time display the air quality parameters around the thermal power plant，work stably for a long time and has a wide application prospect.

Key words：thermal power plants;air quality;PM2.5 sensor;STM32

随着我国经济的快速发展，能源消耗不断加大，空气污染日益加重.火电厂在煤炭消耗中占有较大的比重，是空气污染的主要来源之一.[1-2]传统火电厂空气质量监测多为有线监测，存在布线难、成本高及维护困难等问题，已无法满足火电厂复杂多变的环境.因此，设计新的火电厂空气质量监测系统具有十分重要的意义.笔者设计一款基于STM32的火电厂空气质量无线监测系统，该系统采用分布式监测的方法，利用单片机采集传感器数据得到空气质量参数，再利用LORA通信技术将采集到的数据传输到服务器中存储、分析，准确、实时显示火电厂周围区域的空气质量参数.

1 系统硬件设计

整体系统分为两个部分：数据采集节点和数据汇聚节点.数据采集节点系统以STM32单片机为控制芯片，构成主控模块，主要完成监测数据的处理分析，协调各功能模块之间的调度.系统的运行机制：上电复位以后，传感器模块对火电厂某位置的空气质量参数进行采集，检测温度、湿度、PM2.5浓度和PM10浓度.温湿度由AM23XX单总线数字式传感器采集，PM2.5浓度值由SDS021粉尘传感器完成.通过LORA无线通信的方式将数据发送到汇聚节点，汇聚节点将数据上传至电脑上位机.数据汇聚节点以STM32单片机为控制芯片构成主控模块，结合LORA无线通信方式接收由数据采集节点传输上来的数据，通过串口将数据上传至PC端，从而实现对火电厂周围空气质量的监测.

1.1 数据采集节点设计

系统选用STM32F103CBT6单片机作为主控芯片.主控模块作为整个系统运行的控制中枢，完成整个系统各功能模块的协调调度.首先，根据数字温湿度传感器特有的数据传输机制建立通信时序，完成与温湿度传感器的数据通信.其次，由于SDS021粉尘传感器内部已集成好数据处理并通过串口输出，所以和STM32进行串口通信即可.通信采用SX1278芯片的LORA通信技术将数据发送给采集终端，采用LORA通信模块与STM32通信串口的方式.软件编程：STM32单片机自带专门的函数库，可直接调用相应 API（Application Program Interface）來配置STM32寄存器，实现编程.

1.2 传感器数据采集电路设计

传感器模块主要完成对室内空气温湿度及PM2.5浓度值的实时监测.AM23XX数字温湿度传感器内部集成了A/D转换功能，可直接将检测到的模拟量转化为数字量与STM32进行数据通信.[3-4]PM2.5浓度值通过串口输出为数字量，可直接采用串口通信读取数据.

数字温湿度传感器 采用型号为AM2302的温敏电容数字温湿度传感器，单总线接口具有超小体积、极低功耗、传输距离可达20米以上的特点.数据总线SDA为三态结构，按照单总线通信协议读写传感器数据.数据总线与STM32的PA1端口相连，如图1所示.

粉尘传感器 粉尘传感器SDS021采用5 V直流电压供电，激光散射原理，能同时测量空气中的PM2.5和PM10浓度.数据输出采用标准的串口通讯协议，响应时间为1 s，能很快稳定的工作，与STM32通过串口2连接，如图2所示.

1.3 LORA通信模块与网络拓扑设计

LORA是近年来兴起的LPWAN无线通讯技术之一，具有自组网、低功耗和节点增加等优点，非常适合该系统的使用.[5]本设计采用基于SX1278射频芯片的E32-TTL-100无线串口LORA模块，该LORA模块自带处理器，已经移植LORA无线通信协议.与STM32的串口1（PA9，

PA10）相连，透明传输，大大简化了程序的复杂度.设计将一个区域的LORA网络分成若干网络，依次降低通信链路的开销.对网络进行分区之后，设置成不同的频道，同系统同区域内的汇聚节点和采集节点处于相同的频道，节点上电即加入网络.采用这种网络分区，可有效降低误码率，增强网络的稳定性.