基于STM32設(shè)計的城市環(huán)境監(jiān)測看板(環(huán)境噪聲、環(huán)境溫濕度、粉塵濃度)

一、前言

隨著城市人口規(guī)模的不斷擴(kuò)大和城市化進(jìn)程的不斷加速，城市環(huán)境污染問題越來越受到人們的關(guān)注。環(huán)境監(jiān)測是評估環(huán)境污染狀況、制定環(huán)保政策、維護(hù)人民身體健康的重要手段之一。傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測手段需要人工參與，成本高、效率低，不能滿足大規(guī)模的實時監(jiān)測需求。

本項目基于STM32設(shè)計的城市環(huán)境監(jiān)測看板，實現(xiàn)對城市環(huán)境噪聲、溫濕度和粉塵濃度的實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集。 主控芯片采用STM32F103C8T6，具有較高的性能和穩(wěn)定性，能夠有效處理各種傳感器采集的數(shù)據(jù)；環(huán)境噪聲傳感器采用ADC輸出模擬信號表示環(huán)境噪聲強(qiáng)度，能夠準(zhǔn)確測量城市環(huán)境噪聲；環(huán)境溫濕度傳感器采用DHT11，具有高精度、快速響應(yīng)和成本低廉等優(yōu)點，能夠準(zhǔn)確測量城市環(huán)境的溫濕度；粉塵濃度模塊采用PM2.5粉塵濃度檢測模塊GP2Y10，能夠?qū)崟r快速地檢測城市空氣中的PM2.5粉塵濃度，為環(huán)境污染控制提供數(shù)據(jù)支持。

在本項目中，通過對不同傳感器和主控芯片的選擇和應(yīng)用，成功設(shè)計了一款城市環(huán)境監(jiān)測看板，能夠?qū)崟r監(jiān)測和記錄城市環(huán)境的噪聲、溫濕度和粉塵濃度等信息，為城市環(huán)保管理部門和公眾提供了有力的數(shù)據(jù)支持。

二、項目整體設(shè)計思路

2.1 硬件設(shè)計思路

（1）主控芯片選擇：本項目選用了STM32F103C8T6作為主控芯片，該芯片具有高性能、低功耗和豐富的外設(shè)資源，可以滿足環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的要求。

（2）傳感器選擇：環(huán)境噪聲傳感器采用ADC輸出模擬信號的方式來表示環(huán)境噪聲強(qiáng)度，這里可以選擇常見的電容麥克風(fēng)或者MEMS麥克風(fēng)作為傳感器。環(huán)境溫濕度傳感器采用DHT11，它是一種數(shù)字式溫濕度傳感器，具有成本低廉、響應(yīng)速度快的特點。粉塵濃度模塊采用GP2Y10，它是一種激光散射式粉塵傳感器，能夠?qū)崟r檢測空氣中的PM2.5粉塵濃度。

（3）連接方式：將傳感器與主控芯片連接，可以通過使用模擬輸入通道連接環(huán)境噪聲傳感器的輸出，通過GPIO口連接DHT11傳感器和GP2Y10傳感器。

（4）電源設(shè)計：根據(jù)系統(tǒng)需求選擇合適的電源模塊，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定供電。

2.2 軟件設(shè)計思路

（1）系統(tǒng)初始化：在程序開始時進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，包括GPIO口初始化、ADC模塊初始化等。

（2）傳感器數(shù)據(jù)采集：通過主控芯片的GPIO口或者ADC模塊采集環(huán)境噪聲、溫濕度和粉塵濃度傳感器的數(shù)據(jù)。對于環(huán)境噪聲傳感器，利用ADC模塊將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；對于DHT11和GP2Y10傳感器，直接讀取其數(shù)字輸出。

（3）數(shù)據(jù)處理與顯示：將采集到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過LCD顯示屏或者其他輸出方式實時展示結(jié)果?？梢栽O(shè)計相應(yīng)的算法進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波、校正或者轉(zhuǎn)換為可讀格式。同時，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)范圍，可以設(shè)置合適的閾值來判斷環(huán)境的狀態(tài)是否達(dá)到預(yù)警水平。

（4）網(wǎng)絡(luò)通信：通過網(wǎng)絡(luò)模塊（ESP8266）將數(shù)據(jù)傳輸到遠(yuǎn)程監(jiān)控終端和云平臺，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)存儲?？梢允褂肏TTP、MQTT等協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，保證數(shù)據(jù)的安全性和可靠性。

（5）系統(tǒng)控制：設(shè)計合適的用戶界面和控制方式，使用戶能夠方便地操作本項目?？梢酝ㄟ^按鍵、觸摸屏或者無線遙控等方式進(jìn)行系統(tǒng)的開關(guān)、參數(shù)調(diào)節(jié)等操作。

三、硬件連線

（1）環(huán)境噪聲傳感器（模擬信號輸出）：

將傳感器的模擬輸出連接到STM32的一個ADC輸入通道（PA0）。

（2）環(huán)境溫濕度傳感器（DHT11）：

將DHT11的VCC引腳連接到STM32的3.3V電源。

將DHT11的GND引腳連接到STM32的GND引腳。

將DHT11的DATA引腳連接到STM32的一個GPIO輸入引腳（PB0）。

（3）粉塵濃度模塊（GP2Y10）：

將GP2Y10的VCC引腳連接到STM32的3.3V電源。

將GP2Y10的GND引腳連接到STM32的GND引腳。

將GP2Y10的Vo引腳連接到STM32的一個ADC輸入通道（PA1）。

（4）OLED顯示屏（0.96寸OLED）：

將OLED顯示屏的SDA引腳連接到STM32的I2C總線的SDA引腳（PB7）。

將OLED顯示屏的SCL引腳連接到STM32的I2C總線的SCL引腳（PB6）。

將OLED顯示屏的VCC引腳連接到STM32的3.3V電源。

將OLED顯示屏的GND引腳連接到STM32的GND引腳。

四、項目代碼設(shè)計

4.1 主核心代碼

// 初始化GPIO和ADC模塊
// 啟用I2C總線
// 初始化OLED顯示屏驅(qū)動程序

// 循環(huán)讀取傳感器數(shù)據(jù)并顯示
while(1) {
    // 讀取環(huán)境噪聲傳感器的模擬信號并轉(zhuǎn)換為數(shù)字值
    int noise = read_adc();
  
    // 通過GPIO讀取DHT11傳感器的溫濕度數(shù)據(jù)
    float temperature, humidity;
    read_DHT11(&temperature, &humidity);
  
    // 讀取粉塵濃度的模擬電壓信號并轉(zhuǎn)換為PM2.5顆粒物濃度值
    float dust_level = read_GP2Y10();
  
    // 將讀取的數(shù)據(jù)顯示在OLED屏幕上
    oled_clear();
    oled_print_string("Noise: " + noise + "dB");
    oled_print_string("Temp: " + temperature + "C");
    oled_print_string("Humidity: " + humidity + "%");
    oled_print_string("Dust Level: " + dust_level + "ug/m^3");

    // 根據(jù)需要設(shè)置警報閾值并發(fā)出警報
    if (noise > 70 || temperature > 30 || dust_level > 50) {
        beep_alarm();
    }
  
    // 等待一段時間再進(jìn)行下一次循環(huán)
    delay_ms(1000);
}

4.2 模塊子函數(shù)代碼

#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "ssd1306.h"

void GPIO_Init(void) {
    // 初始化GPIO引腳
    
    // 設(shè)置環(huán)境噪聲傳感器的模擬輸入引腳為模擬輸入模式
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN;  // 使能GPIOA時鐘
    GPIOA->CRL &= ~GPIO_CRL_MODE0;      // 復(fù)位模式寄存器中的MODE0位
    GPIOA->CRL &= ~GPIO_CRL_CNF0;       // 復(fù)位配置寄存器中的CNF0位

    // 設(shè)置DHT11的DATA引腳為上拉輸入模式
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPBEN;  // 使能GPIOB時鐘
    GPIOB->CRL &= ~GPIO_CRL_MODE0;      // 復(fù)位模式寄存器中的MODE0位
    GPIOB->CRL &= ~GPIO_CRL_CNF0_0;     // 復(fù)位配置寄存器中的CNF0位
    GPIOB->CRL |= GPIO_CRL_CNF0_1;      // 設(shè)置為上拉輸入模式

    // 初始化其他GPIO引腳，例如GP2Y10的Vo引腳和I2C總線的引腳等
}

void ADC_Init(void) {
    // 初始化ADC模塊
    
    // 使能ADC1時鐘
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_ADC1EN; 
    
    // 配置ADC通道和采樣時間
    ADC1->SMPR2 |= ADC_SMPR2_SMP0_2;   // 設(shè)置ADC通道為第0個通道，并設(shè)置采樣時間為28.5個周期
    
    // 配置ADC轉(zhuǎn)換模式為單次轉(zhuǎn)換模式
    ADC1->CR2 &= ~ADC_CR2_CONT;        // 關(guān)閉連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，使用單次轉(zhuǎn)換模式
    
    // 配置ADC轉(zhuǎn)換觸發(fā)源為軟件觸發(fā)
    ADC1->CR2 &= ~ADC_CR2_EXTSEL;      // 清除外部觸發(fā)選擇位
    ADC1->CR2 |= ADC_CR2_EXTSEL_0;     // 設(shè)置為軟件觸發(fā)模式
    
    // 使能ADC模塊
    ADC1->CR2 |= ADC_CR2_ADON;
}

void I2C_Init(void) {
    // 初始化I2C總線
    
    // 使能I2C1時鐘
    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_I2C1EN;
    
    // 配置I2C總線時鐘頻率
    I2C1->CR2 |= 36;   // 根據(jù)系統(tǒng)時鐘頻率和所需的I2C總線速率進(jìn)行配置
    
    // 配置I2C總線模式和器件地址
    I2C1->CR1 &= ~I2C_CR1_SMBUS;  // 關(guān)閉SMBus模式
    I2C1->CR1 |= I2C_CR1_PE;      // 使能I2C總線
    
    // 配置I2C總線的GPIO引腳
    
    // 設(shè)置SCL引腳為開漏輸出模式
    GPIOB->CRH |= GPIO_CRH_MODE6_0;
    GPIOB->CRH &= ~GPIO_CRH_MODE6_1;
    GPIOB->CRH |= GPIO_CRH_CNF6_0;
    GPIOB->CRH |= GPIO_CRH_CNF6_1;
    
    // 設(shè)置SDA引腳為開漏輸出模式
    GPIOB->CRH |= GPIO_CRH_MODE7_0;
    GPIOB->CRH &= ~GPIO_CRH_MODE7_1;
    GPIOB->CRH |= GPIO_CRH_CNF7_0;
    GPIOB->CRH |= GPIO_CRH_CNF7_1;
}

void OLED_Init(void) {
    // 初始化OLED顯示屏驅(qū)動程序
    
    ssd1306_Init();  // 使用 SSD1306 驅(qū)動程序進(jìn)行初始化
}

void System_Init(void) {
    // 初始化系統(tǒng)組件
    
    HAL_Init();   // 使用HAL庫進(jìn)行初始化，如果沒有使用HAL庫，可以根據(jù)芯片廠商提供的庫進(jìn)行初始化
    
    GPIO_Init();  // 初始化GPIO
    ADC_Init();   // 初始化ADC模塊
    I2C_Init();   // 初始化I2C總線
    OLED_Init();  // 初始化OLED顯示屏驅(qū)動程序
}

4.3 OLED驅(qū)動代碼

#include "stm32f10x.h"
#include "OLED.h"

#define OLED_CS_GPIO    GPIOB
#define OLED_CS_PIN     GPIO_Pin_12
#define OLED_DC_GPIO    GPIOB
#define OLED_DC_PIN     GPIO_Pin_13
#define OLED_RST_GPIO   GPIOB
#define OLED_RST_PIN    GPIO_Pin_14

void Delay_ms(uint16_t time) {
    while(time--) {
        uint16_t i = 12000;  // 延時大概1ms
        while(i--);
    }
}

void GPIO_Init(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);

    // CS引腳配置
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = OLED_CS_PIN;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(OLED_CS_GPIO, &GPIO_InitStruct);
    
    // DC引腳配置
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = OLED_DC_PIN;
    GPIO_Init(OLED_DC_GPIO, &GPIO_InitStruct);
    
    // RST引腳配置
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = OLED_RST_PIN;
    GPIO_Init(OLED_RST_GPIO, &GPIO_InitStruct);
}

void SPI_Init(void) {
    SPI_InitTypeDef SPI_InitStruct;
    
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE);

    // SPI總線配置
    SPI_InitStruct.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;
    SPI_InitStruct.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;
    SPI_InitStruct.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High;
    SPI_InitStruct.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge;
    SPI_InitStruct.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;
    SPI_InitStruct.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_8;
    SPI_InitStruct.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;
    SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStruct);

    SPI_Cmd(SPI1, ENABLE);
}

void OLED_WriteCmd(uint8_t cmd) {
    GPIO_ResetBits(OLED_CS_GPIO, OLED_CS_PIN);  // 片選信號拉低，開始傳輸數(shù)據(jù)命令
    GPIO_ResetBits(OLED_DC_GPIO, OLED_DC_PIN);  // DC信號拉低，表示發(fā)送命令
    SPI_SendData8(SPI1, cmd);                   // 發(fā)送命令
    while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_BSY) == SET);
    GPIO_SetBits(OLED_CS_GPIO, OLED_CS_PIN);    // 片選信號拉高，結(jié)束傳輸數(shù)據(jù)命令
}

void OLED_WriteData(uint8_t data) {
    GPIO_ResetBits(OLED_CS_GPIO, OLED_CS_PIN);  // 片選信號拉低，開始傳輸數(shù)據(jù)
    GPIO_SetBits(OLED_DC_GPIO, OLED_DC_PIN);    // DC信號拉高，表示發(fā)送數(shù)據(jù)
    SPI_SendData8(SPI1, data);                  // 發(fā)送數(shù)據(jù)
    while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_BSY) == SET);
    GPIO_SetBits(OLED_CS_GPIO, OLED_CS_PIN);    // 片選信號拉高，結(jié)束傳輸數(shù)據(jù)
}

void OLED_Init(void) {
    GPIO_Init();
    SPI_Init();
    
    GPIO_SetBits(OLED_RST_GPIO, OLED_RST_PIN);  // OLED復(fù)位
    Delay_ms(100);
    GPIO_ResetBits(OLED_RST_GPIO, OLED_RST_PIN);
    Delay_ms(100);
    GPIO_SetBits(OLED_RST_GPIO, OLED_RST_PIN);

    OLED_WriteCmd(0xAE);  // 關(guān)閉OLED顯示屏
    OLED_WriteCmd(0x20);  // 設(shè)置內(nèi)存地址模式：水平地址模式
    OLED_WriteCmd(0x10);  // 設(shè)置高四位地址
    OLED_WriteCmd(0xb0);  // 設(shè)置起始行為0
    OLED_WriteCmd(0xc8);  // 設(shè)置掃描方向：從上到下
    OLED_WriteCmd(0x00);  // 設(shè)置低八位地址
    OLED_WriteCmd(0x10);  // 設(shè)置高四位地址
    OLED_WriteCmd(0x40);  // 設(shè)置起始列為0
    OLED_WriteCmd(0x81);  // 設(shè)置對比度控制
    OLED_WriteCmd(0xff);  // 對比度值（0-255）
    OLED_WriteCmd(0xa1);  // 設(shè)置段重映射
    OLED_WriteCmd(0xa6);  // 設(shè)置正常/反相顯示模式：正常顯示
    OLED_WriteCmd(0xa8);  // 設(shè)置多路復(fù)用比率
    OLED_WriteCmd(0x3F);  // 值越大，亮度越大
    OLED_WriteCmd(0xa4);  // 設(shè)置全局顯示：開啟顯示
    OLED_WriteCmd(0xd3);  // 設(shè)置顯示偏移
    OLED_WriteCmd(0x00);  // 不偏移
    OLED_WriteCmd(0xd5);  // 設(shè)置頻率分區(qū)
    OLED_WriteCmd(0xf0);  // 頻率分區(qū)
    OLED_WriteCmd(0xd9);  // 設(shè)置預(yù)充電周期
    OLED_WriteCmd(0x22);  // 值越大，亮度越弱
    OLED_WriteCmd(0xda);  // 設(shè)置COM硬件掃描方式
    OLED_WriteCmd(0x12);  // 按列掃描
    OLED_WriteCmd(0xdb);  // 設(shè)置VCOMH電壓倍率
    OLED_WriteCmd(0x20);  // 1.00*VCC
    OLED_WriteCmd(0x8d);  // 設(shè)置充電泵開關(guān)
    OLED_WriteCmd(0x14);  // 開啟充電泵
    OLED_WriteCmd(0xaf);  // 開啟OLED顯示屏
}

void OLED_Puts(uint8_t x, uint8_t y, char *str) {
    uint8_t i = 0;
    while(str[i] != '?') {
        OLED_SetCursor(x + i * 6, y);
        for(uint8_t j = 0; j < 6; j++) {
            OLED_WriteData(Font_6x8[(str[i] - 32) * 6 + j]);
        }
        i++;
    }
}

int OLED(void) {
    OLED_Init();
    OLED_Clear();
}

五、總結(jié)

城市環(huán)境監(jiān)測看板，基于STM32F103C8T6主控芯片以及環(huán)境噪聲、溫濕度和粉塵濃度傳感器的數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)了對城市環(huán)境的實時監(jiān)測。該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確獲取環(huán)境噪聲強(qiáng)度、溫濕度和粉塵濃度等信息，為城市規(guī)劃和環(huán)境保護(hù)提供了重要的參考數(shù)據(jù)。

通過使用ADC來采集環(huán)境噪聲傳感器輸出的模擬信號，再結(jié)合處理算法，系統(tǒng)能夠精確測量環(huán)境中的噪聲水平。而DHT11溫濕度傳感器則提供了準(zhǔn)確的溫度和濕度數(shù)據(jù)，幫助了解城市環(huán)境的舒適度和變化情況。另外，利用PM2.5粉塵濃度檢測模塊GP2Y10，可以得到城市空氣中細(xì)顆粒物的濃度信息，從而評估空氣質(zhì)量狀況。

這個城市環(huán)境監(jiān)測看板不僅能夠及時獲取環(huán)境數(shù)據(jù)，還具備數(shù)據(jù)顯示和報警功能。通過LCD顯示屏，可以直觀地查看當(dāng)前環(huán)境的噪聲、溫濕度和粉塵濃度數(shù)值，以及相應(yīng)的報警狀態(tài)。當(dāng)某項數(shù)據(jù)超過設(shè)定的閾值時，看板將發(fā)出警報提示，提醒人們采取相應(yīng)的措施。

這個項目的設(shè)計和實現(xiàn)為城市規(guī)劃和環(huán)境保護(hù)提供了重要的技術(shù)支持。通過實時監(jiān)測城市環(huán)境的噪聲、溫濕度和粉塵濃度等指標(biāo)，可以評估城市生活質(zhì)量、改善城市環(huán)境，從而創(chuàng)建更加宜居、健康的城市環(huán)境。此外，該系統(tǒng)還可以應(yīng)用于智能交通管理、工業(yè)區(qū)域監(jiān)測等領(lǐng)域，提高城市安全性和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展水平。

隨著物聯(lián)網(wǎng)和智慧城市的發(fā)展，城市環(huán)境監(jiān)測看板有著廣闊的應(yīng)用前景。通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新和數(shù)據(jù)分析，可以更好地了解城市環(huán)境與人類生活的關(guān)系，為構(gòu)建宜居、綠色、可持續(xù)發(fā)展的城市做出積極的貢獻(xiàn)。