耿明飞, 马豫超, 包从破， 吴 荣

(上海电机学院 电气学院, 上海 201306)

因为机动化、城市化和能源消耗增加，大气污染作为国家第4大健康风险，影响人们的健康[1]。有效监测空气质量，及时提供校园环境相关信息，可以起到警示预防作用，以便及时采取预防措施[2-3]。本文设计了一个检测系统，该系统能实时采集校园不同区域的温度、湿度和PM 2.5 浓度值[4]，并实时将数据传输给总接收节点并显示。该环境监测系统适应范围广、稳定性强[5]。

1 系统整体设计方案

系统硬件主要分为以下几个模块：含STC12C5A60S2主控芯片的单片机最小系统、DHT11 温度湿度模块、PM 2.5粉尘传感器模块、无线传输模块、STM32F107VC芯片模块和TFT彩屏显示模块。软件部分是单片机采集程序和STM32F107VC控制芯片的接收程序。

本系统需要采集校园不同地点数据，所以采用多点采集总点显示技术。系统采用了 2.4 G 无线收发芯片进行数据的发送与接收。接收节点在接收了各个采集点的数据后，经分析处理在彩屏显示。系统采集节点和接收节点结构如图 1 所示。

图1 系统采集节点和接收节点框图

STC12C5A60S2单片机是系统采集部分的核心。首先用 51 单片机接收两个传感器传递的数据，通过 2.4 G 无线传输给以STM32F107VC控制芯片的接收部分，最后彩屏显示。温度和湿度的测量依靠DHT11传感器，PM 2.5 浓度值则通过GP2Y1051AU0F粉尘传感器来获取，用 2.4 G NRF24L01芯片进行数据的传输与接收，TFT 彩屏显示。采集系统可以实时显示数据，便捷可靠，较适合校园的实际情况。

2 系统硬件设计

系统硬件有5大部分：单片机最小系统；主控STM32F107VC芯片电路部分(包括复位电路、晶振电路、供电电路和调试电路)；传感器模块部分(包括PM 2.5传感器和温度、湿度传感器[5])；无线传输模块部分(包括无线传输模块接口电路)；显示电路部分(TFT 接口电路)。

2.1 单片机最小系统

选择的 51 单片机的最小系统，成本低，性价比高，电路少，简单便携，能满足系统的要求。其中的STC12C5A60S2主控芯片响应速度快，能耗低，节约资源[6]，自带 60K FLASH ROM，MAX810 复位电路，高速 10 位 A/D 转换，脉冲宽度调制技术，抗干扰能力强。STC12C5A60S2主控芯片拥有数据采集和控制需要的全部模块[7]。系统采用外部时钟电路方式，选用晶振 11.059 2 MHz，即在引脚 XTAL1和 XTAL2 外接晶体振荡器，在晶振两端接 2 个 30 pF 的陶瓷电容即负载电容，直接控制晶振输出幅度和谐振的频率。

采用外部晶振，外部时钟所得的信息较为固定，受温度等外部因素的影响比内部振荡器小，精度较高[8]。

2.2 STM 32F107VC控制芯片电路的设计

基于Cortex-M3的STM32F107VC芯片功能非常齐全，自带全速 USB OTG，I2S 和 RS-232 接口，2个 CAN2.0A/B 兼容接口，2个 I2C 接口，5个USART接口，3个 SPI 接口，256KB Flash和 64KB SRAM，支持联合测试工作组(Joint Test Action Group，JTAG)协议调试。该芯片共有 100 个引脚。工作电压(VDD)为 2.0～3.6 V[9]，可通过 LM1117稳压芯片实现。LM1117稳压芯片是一个低压差电压调节电路，有固定和可调整这两种电压输出类型。该芯片对过大电流有限制功能，芯片过热自动断开。根据内置的带隙基准，保证输出电压的精度。电源模块电路如图2所示，输入电压为 5 V，稳定输出 3.3 V电压。

图2 电源模块电路图

2.3 传感器模块的设计

2.3.1 温度湿度传感器 温度湿度采集用的是DHT11传感器。该传感器是数字信号输出，无需进行 A/D 转换。DHT11传感器，使用简便且稳定。该传感器内部自带 NTC 温度测量元件，电阻式测湿元件[10]，具有抗干扰能力强、速度快、性能优良、性价比高和耗能低等优点。单线制、串行接口的使用更为方便简单[11]。DHT11温度湿度传感器的数据传输引脚需要接一个上拉电阻。本文的电路中，传感器的数据(DATA)引脚连到 51 单片机的 P1.0 引脚。温度湿度采集的电路设计如图3所示。

图3 温度湿度采集电路图

2.3.2 PM 2.5 传感器 选择GP2Y1051AU0F粉尘传感器进行PM 2.5浓度值的采集[12]。这是一种灰尘传感器，由红外传感器和光电晶体管组成，光电子晶体管通过光学感测系统对角地布置在器件中。当灰尘或者烟灰等空气中的粉尘处于粒子直径检测范围内时，光接收元件就接收到这些粉尘散射的光，并作为电压输出。它能够检测到香烟烟雾等直径极细的颗粒。该传感器发送数据输出(TXD)引脚连接 51 单片机的P3.0输入(RXD)引脚，传感器采用串口通信采集PM 2.5。

2.4 无线传输模块的设计

选用 NRF24L01无线收发芯片进行数据传输[13]，它体积小、功耗低、能远距离无线收发，工作频段为 2.4～2.5 GHz。 SPI设定参数即能实现通信，无需联网。该芯片具有很多低功耗运行模式，使系统更节能[14]。2.4 G 技术可以在10 m距离内连接到电脑。该芯片发送部分和单片机最小系统的STC12C5A60S2芯片连接，其供电电压(VCC)引脚直接连接 3.3 V 电源引脚，除了接地(GND)和VCC，其余脚和 51 单片机 I/O 口P2.2～P2.7 引脚直接相连。数据进行无线发送只需要普通的单片机 I/O 口，不需要串口。同时将NRF24L01无线收发芯片连接到 STM32F107VC控制芯片进行无线接收，通过电源模块将 5 V 的电源转换成 3.3 V 电源。因此， NRF24L01无线收发芯片模块可以直接和STM32F107VC芯片的IO口 PB1，PB12～PB15和PA0 引脚连接，接收温度、湿度和PM 2.5浓度值数据。

2.5 显示电路设计

本文采用的是高画质的 TFT 彩屏，其大小为 3.2 mm×25.44 mm，分辨率为 320×240，配置了真彩LCD模块，并且具备多种接口可供连接。TFT彩屏具备可扩展和易于编程的特点[15]。

3 系统软件设计

3.1 采集节点软件设计

51 单片机采集节点的程序由 Keil C51 编写，包括NRF24L01无线收发芯片检测，NRF24L01无线收发芯片和DHT11传感器初始化，数据采集，无线发送。温度湿度采集使用的 DHT11 数字温湿度传感器通过不断设置 I/O 口的不同模式以及发送或接收 I/O 口的不同状态来完成采集。在每次进入工作之前，传感器都需要进行初始化动作。传感器接收一个来自单片机的信号并返回响应信号，单片机据此做好通信准备，单片机和传感器开始进行数据通信。温度、湿度的采集流程图如图4所示。

PM 2.5 浓度值采集采用串口的方式，必须先进行串口设置，配置波特率，串口接到信号后，产生串口中断，进入中断接收数据，数据存储在串口寄存器当中。接收到数据后中断停止，对数据进行校验，最后通过数据处理得到 PM 2.5浓度值。采集 PM 2.5 浓度值流程如图5所示。

图4温湿度采集流程图图5采集 PM 2.5 浓度值流程图

3.2 接收节点软件设计

STM32F107VC芯片接收并显示的程序由Keil MDK编写，包括NRF24L01无线收发芯片检测，NRF24L01芯片和TFT彩屏初始化。接收节点主要完成对采集的数据进行处理和显示。2.4 G 无线收发芯片同样需要检测是否有信号，并进行数据通道初始化配置。若成功接收到数据，则进行数据的处理，再进行彩屏显示。彩屏显示前要先进行复位和初始化，并写入颜色指令和要显示的文字和数据。TFT显示器驱动流程如图6所示。

图6 TFT显示器驱动流程图

4 实验测试

在实验室搭建的一个测试环境，主要测试系统对温度、湿度和PM 2.5浓度值数据的采集，采集节点和接收节点的2.4 G 通信，TFT 彩屏的数据显示[16]。校园环境监测系统实物如图7所示。

图7 校园环境监测系统实物

在采集节点1，首先将DHT11传感器和GP2Y1051AU0F粉尘传感器，分别使用I/O和串口连接到STC12C5A60S2芯片上，收集传感器测得的数据并通过无线传输，并通过SPI口连接NRF24L01无线收发芯片。采集点2所有连接与设置均与采集点1相同。STM32F107VC控制芯片作为接收节点，也同时连接 NRF24L01 传感器用来接收数据。最后通过TFT彩屏显示出这两点的温度、湿度和PM 2.5 浓度值。校园环境监测系统的测试显示结果显示如图8所示。

图8 测试结果显示

5 结 语

系统成本低，简单易携带，且可靠性较高，对类似系统的开发有一定的借鉴意义。校园环境信息监测系统通过单片机采集传感器测得的温度、湿度和PM 2.5浓度值，由2.4 G无线收发芯片将数据传输给接收节点，接收节点进行彩屏显示。软件电路包括2.4 G的检测，串口接收与发送，传感器的初始化与数据采集等。经过测试，系统可以实时连续监测，并稳定可靠。