【《基于STM32单片机室外出行环境监测系统的设计》7800字】

TOC\o"1-2"\h\u基于STM32单片机室外出行环境监测系统的设计TOC\o"1-2"\h\u281761.引言 161351.1设计题目的背景 1252001.2研究的意义 2198792.系统总体设计方案 26492.1功能要求 2156142.2设计思路 231383.设计方案 2175973.1数据采集模块的设计方案 24863.2数据传输模块的设计方案 3190233.3数据显示模块的设计方案 357204.系统设计 450294.1MCU核心板模块的设计 4173974.2感知层模块的设计 753924.3系统传输层的设计 10111504.4系统开发设计 11314485.系统测试 1510505.1感知层测试 15134735.2传输层测试 16268995.3系统原理图 16145566.结语 171175参考文献 18TOC\o"1-2"\h\uTOC\o"1-2"\h\u摘要：进入21世纪以来，全球城市化进程加快，中国亦是如此。但是，在城市快速发展的同时，产生了许多生态和环境问题。空气质量污染严重，全球气温变暖，臭氧层破坏，雾霾的出现，使城市居民的出行条件极为困难。为了解决这一问题，基于STM32宏处理器的户外外出环境监测系统的设计不仅具有非常重要的理论价值，而且具有广阔的发展前景。

本系统将STM32单片机作为MCU，采用多种传感器采集城市室外环境的光照、温度、湿度、PM2.5等信息，可通过MQTT协议实现设备与云平台之间的互联。将STM32单片机和感知层所需的传感器以及WiFi模块集成在电路板上，通过WiFi上传数据，数据存储到机智云平台中，web端通过接口从云平台读取数据并将其显示在web页面上。客户可以通过微博端显示从感知层获取的实时数据和历史数据进行显示，

设计验证了方案的可行性，对防止城市环境对人体的危害具有重要意义。关键词：室外环境监测WiFi机智云引言随着现有互联网技术的发展，国内市场的“互联网”领域越来越重要，环境问题尤其重要[1]。本设计针对这一问题，对于大气温度，湿度，光照和PM2.5浓度进行采集，然后汇总显示，通过电脑可以方便查看环境参数的各项指标。1.1设计题目的背景近年来，随着科学技术的快速发展，环境问题也日益严重，影响了人类的健康和生活，环境问题逐渐成为社会关注的热点[1]。中国已经开始监视中国的实时环境了。在当前无线接收模式中，Zigbee无线传输技术最近兴起并受欢迎，其优点是花费的成本低、通信传输的速度高，并且通过将无线感测网络与因特网结合来提出实时远程监视系统的框架。当前，监视系统朝着通过电池供电的环境传感器的方向发展，由此实现整个监视过程的无线化和小型化，能够进行更灵活的配置[2]。在海外已经实现了数字化的网络环境监视系统，通过遥控技术、卫星导航技术等，也可以实现全球环境的综合实时监控。目前，国外系统总结中，美国的EMNET系统和澳大利亚的FUCK系统是典型的，但这两个系统的缺点是通信速度低，产品体积大，耗电比较高，所以购买费用高不能满足实用的需求[2]。1.2研究的意义在这样的背景下，物联网系统的快捷性和便捷性逐步得到了人们的认可。随着现在环境问题日益严重，为了便于人们知道环境参数，基于物联网的室外环境出行系统既可以采集温湿度，光照和PM2.5浓度，这些数据可以实时显示在手机移动端，方便用户随时查看。这样可以降低环境污染对人体的危害情况。系统总体设计方案室外环境监测系统包括外界信息采集的感知层、传输数据的传输层和逻辑处理的应用层三个部分。感知层对外界环境信息的温湿度，光照以及PM2.5数据进行采集；传输层对采集到的数据进行传输；应用层对想实现得逻辑功能进行逻辑处理。以下是对各个模块的整体结构和选择方案进行概述。2.1功能要求功能一：监测室外温湿度，光照强度以及PM2.5浓度的值，在OLED显示屏可以显示监测到的数据；功能二：可以通过无线传感网技术把感知层采集到的数据传到机智云平台；功能三：可以在应用程序会实时显示使用手机终端收集的数据。2.2设计思路室外出行环境监测系统由采集信息的感知层、传输数据的传输层、逻辑处理的应用层三部分构成[2]。感知层采集数据可以通过温度和湿度传感器（DHCT11），光传感器（GY-30）、PM2.5传感器（GP2Y1010E0F）三个传感器感知信息。系统传输层通过WiFi模块ESP8266传感器将收集到的数据传输到机智云平台。通过接口调用数据经过逻辑处理显示在网页应用端；应用层由服务器端和web客户端构成，通过无线传感网技术实现web端与控制器的信息交互功能[2]。2.2.1感知层功能模块感知层的主要作用是收集温度和湿度信息，光照强度信息和PM2.5的信息，并分析采集信息。系统感知层使用DHT11温度和湿度传感器，GY-30光传感器，PM2.5传感器使用STM32作为中央处理单元将数据汇总分析处理。2.2.2传输层功能模块系统传输层模块的功能是对采集到的数据进行传输，在传输层中的温度，湿度，光照和空气中的PM2.5浓度，通过MCU核心板模块处理后的数据再通过无线传感网技术上传到服务器上。软件应用可以在ESP8266传感器上承载，处理数据和存储数据的功能强，可以在最低前提的开发和运行中的最低系统资源的占有GPIO口继承传感器和其他应用的特定设备[2]。2.2.3应用层功能模块系统应用层模块主要完成的是对温度，湿度，光照，空气中的PM2.5信息的实时显示。底层采集的信息数据经传输层上传到机智云平台中存储，Web客户端通过调用云平台接口提取数据，将数据显示到手机移动端。设计方案本节主要介绍根据系统的测量需求选择每个模块的方法和范围。3.1数据采集模块的设计方案各种传感器构成数据采集模块，并协作完成数据收集。具体如下：感知层可以收集周围环境的温度、湿度、光照强度以及PM2.5的浓度信息选用的是温湿度传感器（DHT11传感器）、光照传感器（GY-30传感器）以及PM2.5传感器（GP2Y1010AU0f传感器）[2]。记录和控制室外环境，并且所获得的数据显示在应用层中。3.1.1处理器的选择方案处理器的选择是通过对比STM32单片机和51单片机，51单片机是八位单片机，相比较起来，新手更容易上手，优点在于有一套完整的按位操作系统，开辟了双重功能的地址区间以及乘法和除法指令。但51单片机却不足以满足系统的需求，相比较起来，STM32单片机有时钟复位和电源管理以及调试模式，更加符合系统需求。3.1.2系统温湿度传感器的选择方案通过将DHT11和DHT21进行比较，DHT21也就是现在的AM2301，使用的是湿敏电容，相比较起来测量的精度更加精确，但是价格也更加昂贵，而DHT11使用的是湿敏电阻。此传感器满足系统的需求，相对更加实惠，更符合系统的需求。3.1.3系统光照传感器的选择方案GY-30基于在具有2线串行总线接口，高分辨率图像的数字照明度传感器的页面收集页面上收集的照度数据可以检测到1lx-65535lx的光照信息[3]。符合系统的需求。3.1.4系统PM2.5传感器的选择方案PM2.5传感器选择的是GP2Y1010AU0f传感器。具体地，可以测量0.8微米以上的微笑颗粒，并且GP2Y101010F传感器实际上是烟草和花粉，灰尘等灰尘的传感器。3.2数据传输模块的设计方案在数据传输模块，选择的是ESP8266,主要是采用WiFi模块将采集到的感知层传感器数据传输到机智云平台。对数据进行传输，将数据可以从感知层到应用层连接，保证对数据的实时监控[3]。WiFi模块支持宽波特率范围，最大波特率为460800bps，默认波特率为115200bps[7]。WiFi是一种无线局域网通信技术。WiFi模块，也称为串行WiFi模块，使用高频无线电信号发送和接收数据。它使用以太网通信协议。它是目前使用最广泛的无线通信技术。传输距离一般为100-300M，功耗为10-50mA。属于无线局域网[3]。它可以用于多个终端的同时传输。传输速率可达1〜600Mbps，功耗低，适用范围大。可进行加密处理，比较安全可靠[3]。并且WiFi模块还是一个能够搭载软件应用的模块，成本低，传输速率快，非常符合系统的需求。机智云平台是一款免费开放的工业级别的设备连接平台，支持在线的实时监控，依托云组态技术可以搭建个性化的控界面，符合系统的需求。3.3数据显示模块的设计方案该系统的应用层由网页应用终端组成，该网页应用终端将收集到的温度，湿度，光线和PM2.5数据显示给手机的移动终端，以进行实时数据显示。数据显示模块既可以在OLED显示屏上查看，也可以在可以通过手机app查看，用户可以随时打开查看当前户外环境情况，并且在不同得场所可以对新的WIFI配置。系统设计以下将对感知层、传输层和应用层各个模块进行详细设计说明。感知层主要作用是对室外的温湿度信息、光照信息和PM2.5信息进行采集，并对采集来的信息进行分析处理；传输层模块主要完成的是数据的传输，在传输层中传输的是温度，湿度，光照，空气中的PM2.5信息。ESP8266wifi模块可以把单片机STM32处理后的数据，上传到与平台上；应用层模块主要完成对温度，湿度，光照，空气中的PM2.5信息的实时显示。系统总体结构如图4.1所示。图4.1系统总体结构图4.1MCU核心板模块的设计本章主要对系统感知层的各个模块进行电路设计以及软件方案。系统MCU核心板模块，选择的是STM32单片机，该最小系统包括电源的电路部分，时钟源的电路部分，BOOT启动的电路部分，调试接口的电路部分以及复位的电路部分组成[4]。电源模块为整个STM32单片机提供了电源，晶振是为最小系统提供最基本的时钟信号，BOOT启动电路决定了单片机的启动方式和运行方式，复位电路用于重启单片机。STM32电路图如图4.2所示。图4.2STM32单片机电路图电源电路低压差线性稳压器LDO将STM32单片机的电源电路从5V转换为3.3V[4]，VDD代表数字电源的正极，而VSS代表负极，而GND代表接地。电源模块为整个STM32微控制器提供电源。电源电路如图4.3所示。图4.3电源电路图时钟源电路晶体振荡器为最小的系统提供最基本的时钟信号。电容器的作用是使晶体振荡器输出的振荡频率更加稳定。[4]。如图4.4为时钟源电路。图4.4时钟源电路图BOOT启动电路STM32单片机有两个引脚，其中第一个为BOOT1，第二个为BOOT2，这两个引脚确定微控制器的启动模式和操作模式[5]。如图4.5为BOOT电路。图4.5BOOT启动电路图调试接口电路系统的开发过程中，需要下载bin文件和hex文件，以及在线仿真调试[5]。接口调试电路如图4.6所示。图4.6接口调试电路图复位电路STM32具有三种复位方法。系统启动时将自动重置，也可以通过按按钮将其重置。复位电路如图4.7所示。图4.7复位电路图4.2感知层模块的设计感知层主要作用是对室外的温湿度信息、光照信息和PM2.5信息进行采集，并对采集来的信息进行分析处理系统感知层使用DHT11温度和湿度传感器，GY-30光传感器，PM2.5传感器使用STM32作为中央处理单元将数据汇总分析处理。4.2.1温湿度采集模块设计（1）温湿度传感器电路设计系统对外界温度信息和湿度信息的采集通过DHT11传感器采集数据。采用了单片机中的PA15引脚进行数据的传输，将模拟信号转换成离散的数字信号。DHT11的电路图如图4.8所示。图4.8DHT11电路图DHT11温湿度传感器采用专用的数字模块采集技术和温湿度检测技术，其中数字信号输出来自温湿度传感器。在系统中，DHT11传感器使用简化的单总线通讯[6]。使用了STM32单片机的PA15端口进行数据传输。（2）温湿度传感器软件设计系统先对传感器进行初始化，然后采集数据，计算校验和，最后存储数据。如图4.9所示。图4.9DHT11流程图4.2.2光照采集模块设计光照传感器的电路设计室外环境监测系统的光照信息的采集采用GY-30传感器。采用了单片机中的PA6引脚进行数据的传输，将模拟信号转换成离散的数字信号。光照传感器的电路图如图4.10所示。图4.10GY-30电路图GY-30传感器采集室外的光照信息，里面包括放大器和A/D转换器采用了IIC通讯[8]，初始化传感器时，IIC也需要初始化。GY-30采用了单片机的A4，A5引脚进行数据的传输。光照传感器软件设计设计思想光照传感器使用IIC通讯，软件的算法流程为：首先配置GPIO端口，然后初始化IIC，之后初始化传感器，最后开始读取数据。软件工作流程图系统先初始传感器，同时初始化IIC通信，然后采集数据，计算校验和，最后存储数据。具体流程如图4.11所示。图4.11GY-30工作流程图4.2.3PM2.5采集模块设计（1）PM2.5传感器的电路设计室外监测系统的PM2.5浓度数据的采集通过GP2Y1010AU0f传感器。[9]采用了单片机中的PA10引脚进行数据的传输。PM2.5传感器的电路如图4.12所示。图4.12GP2Y1010AU0F传感器电路图室外的PM2.5浓度值通过GP2Y1010AU0f采集数据，该传感器是一种光学质量传感器，可输出与测得的粉尘浓度成比例的模拟电压。这样就可以得到室外空气中的粉尘浓度[9]。因此，，该传感器也是一款粉尘传感器。（2）PM2.5传感器软件设计设计思想PM2.5传感器的软件算法流程为：先定义变量，配置GPIO口，然后初始化ADC，打开红外二极管，采样读取数据并进行A/D转换，关闭红外二极管，然后进行电压到浓度的转换[6]。软件工作流程图具体流程如图4.13所示。·图4.13PM2.5传感器工作流程图4.3系统传输层的设计基于物联网的室外出行环境监测系统的传输层主要完成的功能是将感知层采集到的温湿度，光照和PM2.5信息经过WIFI模块ESP8266传感器传输到机智云平台中储存，然后由应用层通过调用接口来获得外界信息[10]。STM32单片机和传输层之间是串口通讯方式，传输层和机智云平台之间是无线传感技术方式通信。4.3.1通信结构设计由于设计需要联网实现实时传输数据，因此我们在这里选用WiFi模块进行数据的传输，WiFi模块选用的是ESP8266传感器，ESP8266传感器不仅可以对不同的网络进行配网，而且可以对单片机的数据进行传输[11]。ESP8266传感器使用简单，通讯方便，单片机可以通过串行端口与WiFi模块之间通讯。4.3.2云平台的选择依据基于对物联网领域的发展的理解，机智云平台是既可以让新人尽快上手又可以对专业的开发人员降低产品的开发时间。平台的范围从产品定义设备端开发和调试，手机移动端APP的开发，生产，调试和云端的开发，系统的运营维护一直到数据成功显示以及硬件设备与平台之间的联系。该平台为新手人员提供了简单的硬件自主开发工具和开放式的云服务。手机移动端和云平台之间的联系可以帮助我们降低硬件设备开发的限制要求，减少我们的开发成本同时可以提高我们的开发速度。可以为用户提供更好的连接和服务帮助。如图4.14所示。图4.14开发流程图4.4系统开发设计本节主要论述室外环境监测系统应用端的设计，设计成功以后可以完成手机移动端数据的显示。4.4.1注册账号(1)首先，我们需要建立一个属于自己的账号为我们之后的开发提供一个随时可以进入的扎根好，当我们成功激活账号的注册申请以后就可以对产品进行开发。如图4.15所示。图4.15用户注册图(2)选择是企业开发还是个人开发者，选择企业开发拥有更多权限，适用于需求多样得环境，并且接入的设备数量不设上限，本系统的设计不是从企业或者个人的角度看问题，只是选择不同会拥有更多的权限，在此我们选择个人开发即可。如图4.16所示。图4.15开发选择图4.4.2创建系统移动端显示数据流程在开发界面中选中“创建新产品”，然后输入本系统的名称，然后可以在WIFI方案，蓝牙方案或者网关方案中选择一种我们自己所需要的方案来完成我们对本系统的创建。之后就是为我们的系统建立所需要的数据点。数据点代表的是系统的逻辑功能，数据点共有四种读写方式：只读方式，可写方式，报警方式以及故障方式。建立数据点是实现本系统手机移动端数据显示的一个必要过程。首先，我们应该阐述清楚系统的功能，并且为我们要实现的功能建立我们的每一个数据点。之后，根据生成的数据点可以自动生成用于开发的核心协议。自动生成的协议使您可以完成系统手机终端上的数据显示。点击“创建新产品，可以根据自己所设计的产品进行产品的创建。如图4.17所示。图4.17创建产品图输入产品名称与选择设备接入，基于STM32单片机室外环境监测系统采用的是WIFI/移动方案，在不同的环境下可以进行WIFI的配置，对于数据的实时观察较为方便。如图4.18所示。图4.18产品名称与选择设备接入图创建数据点，点击新建数据点进行数据点的创建。完成后创建的数据点有几个，手机移动端显示的就有几个。如图4.19所示。图4.19创建数据点图点击新建数据点，添加数据点。本系统共添加了温度，湿度，光照强度以及PM2.5四个数据点，如图4.20所示。图4.20添加开关机数据点图下载云端自动生成的协议在开发人员中心单击“开发向导”，找到MCU开发资源，然后可以根据定义的数据点查看云自动生成的协议。MCU开发可以根据自己选择的硬件方案自动生成MCU开发过程中所必须的代码，如图4.21所示。图4.21下载云端协议图4.4.3系统设备以及应用开发当我们在正在开发的智能硬件上加入写好的机智云的连接协议GAgent的连网模块，就可以把我们的硬件设备通过机智云平台实现连网，连网的模块包括Wi-Fi、GPRS等方式，并且本平台还支持BLE、GSM、CDMA、Zigbee等联网方式接入互联网。我们手机上的APP可以通过云平台控制我们的硬件设备，只需要通过云平台提供的APPSDK加入到手机移动APP中，然后连接到机智云平台即可完成4.4.4系统调试在创建产品后，在云平台开发人员中心中，您可以参考文档中心中的相关技术文档来开发系统。产品生产过程将开发和生产设备连接到云平台测试服务器。它提供了完整的测试环境和一些开放功能。开发产品之后，您需要申请分发，然后将产品重新分发到服务器。系统测试本章为系统测试部分，主要监测室外出行监测系统各个模块是否能够正常运作。5.1感知层测试室外环境监测系统的感知层主要是采集外界温湿度信息，光照以及PM2.5浓度，通过温湿度传感器，光照传感器和PM2.5传感器采集数据，主要是对这几个采集外界信息的传感器性能进行测试。STM32给电后，将各个传感器初始化，然后改变当前环境，通过观察OLED屏测试感知层是否能够正常运行。等待OLED显示屏上出现WIFI和云的图标时，表示WIFI配置成功并且连接上云端。OLED显示屏上左上角为温度显示，右上角为湿度显示，左下角为光照强度显示，右下角为PM2.5浓度显示。如图5.1所示。图5.1感知层测试图（１）23.1C表示当前环境温度度数；（２）43%RH表示当前环境湿度；（３）45Lx表示当前环境光照强度；（４）45ug/m3表示当前环境PM2.5浓度；（５）WIFI和云图标表示成功连接WIFI且于云端连接5.2传输层测试系统的传输层的功能是主要完成数据的传输，将感知层采集到的环境信息上传到机智云平台中，所以传输层测试的主要任务是针对感知层是否可以和机智云平台正常连接。当在云平台页面各个传感器显示已连接时，表示传输层运作正常。此手机移动端显示的数据为当前环境下WIFI传输过来的数据，分别为温度；湿度；光照强度和PM2.5浓度。测试结果如图5.2所示。图5.2传输层测试图5.3系统原理图包括MCU最小系统以及温湿度传感器与单片机PA15引脚传输数据，光照GY-30传感器与单片机PA6引脚进行传输数据；PM2.5GP2Y1010AU0f传感器与单片机PA10引脚进行传输数据；图中OLED显示屏模块分别与SCL_C14，SCL_C15引脚进行数据传输；WIFI模块ESP8266传感器与单片机标注的UART2_TX和UART2_RX引脚以及PB1引脚传输数据,按键S1与PA8引脚连接；LED灯与单片机PC13引脚连接。系统原理如图5.3所示。图5.3系统原理图结语时间飞逝，已经将要毕业，在这里，首先要感谢的就是一直指导我毕业说明书的李月娥老师，非常感谢她，我有什么不懂得问题，都是李老师给我做出了解答。她认