基于STM32的智能环境监测小车的设计

党婵娟

摘要：传统的手持环境监测设备无法检测空间狭小、位置险要等地的环境，具有空间局限性，为了克服该缺点，提出了基于STM32的智能环境监测小车的设计。小车以STM32微控制器为核心，控制其运动系统和环境数据采集系统，实现了小车的行驶、自动避障、温湿度监测、光照强度监测、有害气体浓度监测、蓝牙和Wi-Fi通信等主要功能，监测范围广且监测安全，具有较高的实用价值。

【关键词】环境监测 小车 空间

1 引言

环境与人的生存息息相关，舒适的生活环境是人类健康、安全的重要保障。环境不会永远处于一个稳定、适宜的状态，它容易受各种因素的影响而发生改变，因此需要利用环境监测设备去采集生活环境中的诸如光照强度、温湿度、有害气体浓度和可燃气体浓度等数据，监测这些指数是否适宜，以便在环境指数较差时能及时采取相应的措施做出调节，避免造成更大的危害。但是在有些情况下，由于危险性、空间局限性等限制，人们无法手持设备去监测环境，基于此本文提出了利用智能机器搭载环境监测设备去收集环境数据，即基于STM32的智能环境监测小车的设计。

2 环境监测小车的总体设计及功能实现

本设计分为小车运动系统和环境数据采集系统两个部分，两个系统的处理器均采用STM32F103微控制器。其中小车运动系统包含蓝牙、运动控制和自动避障行驶三个模块，环境数据采集系统包括Wi-Fi模块、光照监测、温湿度监测以及有害气体浓度监测四个模块。

小车运动系统通过蓝牙模块给STM32主控制器发送控制信号，主控制器发送PWM波给L298N电机驱动模块，来控制小车运动的方向和速度，同时也利用舵机和超声波的综合特性来实现自动避障行驶。

环境数据采集系统由STM32主控制器通过串口与Wi-Fi模块进行通信，将光照监测模块、温湿度监测模块以及有害气体浓度监测模块采集到的环境数据整理成报文，通过Wi-Fi模块发送到手机客户端显示出来。

3 功能模块的设计与实现

3.1 小车运动系统

3.1.1 蓝牙通信模块

蓝牙通信模块是利用BLK-MD-BC04-B蓝牙模块和蓝牙助手APP这两部分实现的，蓝牙模块与STM32板的UART1相连，数据通过串口与蓝牙模块进行传输。在与手机端助手连接成功后，手机端发送的指令会通过蓝牙模块接收，系统根据手机端发送过来的指令执行相应的动作，来控制小车的前进、后退和转向等，还可以控制小车运动的速度和启动自动避障行驶功能。

3.1.2 运动控制模块

运动控制模块是由L298N驱动芯片和4个直流电机构成的，STM32控制器输出PWM波给L298N，通过PWM的输入控制L298N上的两个使能端的高低电平，进而改变电机的转动方向和转动速度，这样就能实现小车的前进、后退、左转、右转、停止，同时还能使小车加速和减速。

3.1.3 自动避障模块

自动避障模块是综合利用超声波测距模块和舵机来实现自动避障的功能的，超声波模块在测距过程中向前方发送超声波，然后系统接收发送出去的超声波，利用发送和接收的时间差值就可计算出当前小车与障碍物之间的距离；检测到障碍物后，舵机则通过STM32主控输出的PWM波来使舵机朝不同角度转动，从而使小车避开障碍物行驶。

3.2 环境数据采集系统

3.2.1 Wi-Fi通信模块

Wi-Fi通信模块是由ESP8266串口和Wi-Fi通信助手APP这两个部分构成的，利用串口和Wi-Fi通信模块来实现STM32主控板与手机APP的通信，由各种传感器采集的环境数据传送给STM32主控制器，再由STM32主控制器整合成一组报文，通过与USART2相连接的ESP8266串口Wi-Fi模块发送到手机端的Wi-Fi通信助手APP上.实现主控板与手机端之间的交互，方便读取，用户能实时地了解所要监测的环境数据。

3.2.2 温湿度监测模块

温湿度监测模块采用DHT11数字温湿度传感器对所要监测环境的温度、湿度数据进行实时采集。其内置的己校准数字信号输出保障了模块具有强大的可靠性和极高的稳定性，其校准系数存储在内存中，传感器内部通过调用这些校准系统来检测和处理温湿度信号。温湿度传感器将收集到的温度和湿度传输给STM32主控板，再通过字符转换将这些环境数据转换整理成报文发送出去，显示在手机上。

3.2.3 光照监测模块

光照监测模块主要用于采集、監测环境中的光照强度，该模块采用BH1750FVI数字型光强度传感器集成电路，光照传感器收集的环境数据通过I2C协议传输到STM32主控板上，然后STM32主控板上把模块收集的高八位光照数据和低八位光照数据合并得到实际的光照数据，再把得到的数据转换成报文，通过串口、Wi-Fi模块和手机APP，在手机上实时显示光照数据。该模块对阳光的敏感度比灯光要强的多，从而降低了其他光源的影响，提高了环境数据的准确性。

3.2.4 有害气体浓度监测模块

有害气体监测模块是利用有害气体传感器MQ-135采集空气中有害气体的浓度，该传感器以二氧化锡（Sn0₂）为气敏材料，可以检测空气中的氨气、硫化物和苯系蒸汽等有害气体。传感器利用半导体材料对有害气体的敏感程度来改变其导电率，进而转化成具体的电压值变化，再由STM32主控板的DMA采集多通道的ADC接口接收数据，把电压变化通过模数转换成数字信号，传送到手机上，就能使用户清晰地了解环境中有害气体的浓度。

4 结束语

本设计利用智能小车搭载环境监测设备去采集各种环境数据，设计采用物联网智能化产品设计中主流的32位ARM微控制器，控制智能环境监测小车的运动系统和环境监测系统。通过运动系统实现小车的前进、后退、转向、停止、加减速以及自动避障等功能，通过环境监测系统实现设备对温湿度、光照强度、有害气体浓度等环境数据的采集与监测，两个系统分别采用蓝牙通信装置和Wi-Fi通信装置通过手机APP助手实现对小车的运动控制和环境数据的发送。该智能环境监测小车克服了传统手持环境监测设备的空间局限性，监测范围更广，监测更安全。整个硬件电路结构简单，成本较低，具有很强的实用性。

参考文献

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