摘 要

近年来，随着城市化进程的加快和工业活动的增加，建筑工地的粉尘和噪声污染问题日益严重。灰尘不仅影响空气质量，危害人类健康，还会加剧区域环境问题。施工过程中产生的噪声污染直接影响周围居民的生活质量，甚至威胁到工人自身的身体健康。加强施工现场粉尘和噪声的实时监测和控制已成为环境治理和施工管理的重要方向。
本项目开发了一个可以实时监测PM2.5浓度的系统，通过集成显示、网络传输和自动控制功能，为建筑工地的环境管理提供智能解决方案。使用夏普PM2.5传感器和噪声检测模块测量空气质量，数据通过STM32F103主控芯片进行处理，监测数据通过ESP8266模块上传到服务器，以支持远程管理。同时，该系统集成了加湿器控制功能，当粉尘浓度超过标准时，自动启动加湿器喷洒水雾，降低粉尘浓度，有效控制污染。

关键词： STM32；PM2.5检测；物联网
Design of Dust Monitoring and Spray Control System Based on Internet of Things

ABSTRACT

In recent years, with the acceleration of urbanization and the increase of industrial activities, the problem of dust and noise pollution on construction sites has become increasingly serious. Dust not only affects air quality and endangers human health, but also exacerbates regional environmental problems. The noise pollution generated during the construction process directly affects the quality of life of surrounding residents and even threatens the physical health of workers themselves. Strengthening real-time monitoring and control of dust and noise on construction sites has become an important direction for environmental governance and construction management.
This project has developed a system that can monitor PM2.5 concentration in real time, providing intelligent solutions for environmental management on construction sites through integrated display, network transmission, and automatic control functions. Using Sharp PM2.5 sensors and noise detection modules to measure air quality, the data is processed through the STM32F103 main control chip, and the monitoring data is uploaded to the server through the ESP8266 module to support remote management. At the same time, the system integrates humidifier control function, which automatically starts the humidifier to spray water mist when the dust concentration exceeds the standard, reducing the dust concentration and effectively controlling pollution.

Key words: STM32； PM2.5 detection; Internet of Things

目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 III
1 绪 论 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究意义 1
1.3 技术研究现状 1
1.4 系统实现目标 3
2 系统整体方案设计 4
2.1 总体组成结构 4
2.2 主要器件选型 4
3 系统硬件总体电路设计 6
3.1 单片机最小系统 6
3.2 PM2.5模块 9
3.3 WiFi模块 9
3.4 显示模块 10
3.5 按键模块 11
3.6 继电器加湿模块 11
4 系统软件总体设计 13
4.1 Keil程序开发环境 13
4.2 主程序流程图 13
4.3 PM2.5检测程序设计 14
4.4 按键子程序设计 15
4.5 显示模块程序设计 15
5 系统测试 17
5.1 硬件电路调试 17
5.2 软件调试 18
5.3 测试总结 18
6 总结与展望 19
参考文献 20
致 谢 21

1 绪 论
1.1 研究背景
随着中国城市化进程的加快和大型传统工业开发区的发展，以及城市常住人口的增加，城市管辖范围不断扩大，大气污染物排放总量持续上升。城市空气污染作为一个主要的环境问题，正迅速变得突出。其中，粉尘、工业颗粒物排放、生物质颗粒物燃烧、煤炭燃烧产生的烟尘、机动车尾气排放和二次颗粒物是中国城市可吸入颗粒物的主要来源，城市建设过程中产生的粉尘是城市可吸入颗粒物污染的中心焦点。
噪声污染是随着城市化和工业化的发展而产生的。噪声污染是指超过国家噪声排放标准的环境噪声。中国城市噪声污染的主要来源是建筑噪声、交通噪声和社会生活噪声。其中，建设项目的噪声扰民主要来自施工机械设备正常运行产生的噪声，部分施工现场紧邻居民区，对周边居民的正常生活影响较大。
1.2 研究意义
本文中的噪音扬尘监测设备不仅可以部署在工地上,还可以部署在任何需要的地方，比如说马路边等等。在这个万物皆可联网的时代，噪音扬尘监测设备仅仅只是其中的一种，我们完全可以通过更换传感器来监测其他的数据发送到互联网四，应用于不同的场景，比如，自动测量河里的水位用于防范洪灾，这样不仅数据精准快捷，还不用人力去巡江。随着这类设备的发展和应用，可以完成一些以前无法完成的工作，提高工作效率，推进社会的进步和发展。
1.3 技术研究现状
随着物联网技术、电子芯片和传感器产品的进一步发展和发展，出现了粉尘监测的系统设计解决方案。国泽宇25开发的粉尘监测系统包括STM32芯片、WLAN模块、液晶屏作为MCU、无线收发器和用户界面。系统中的智能粉尘传感器节点由STM32控制。如果浓度超过设定的阈值，蜂鸣器会发出警报。同时，STM32将收集到的粉尘浓度数据传输到ESP32通信模块。该通信模块不仅集成了传统蓝牙、低功耗蓝牙和Wi-Fi，还支持150Mbps的数据传输速率和20dBm的天线输出功率。它可以达到无线通信的最大范围：灰尘模块、噪音模块和天气模块连接到ARM，最后一块LED卡连接到工业网络。这是张欣21设计的车载环境监测系统的总体架构。系统的硬件设计主要由三部分组成。第一部分是系统数据采集中的噪声和粉尘数据由C8051F350芯片传输到主船，气象数据直接通过RS485传输。核心的第二部分包括每个模块的电源以及STM32F103RCT6芯片对数据的处理、存储和传输，数据存储在ATMLH002芯片中。最后一部分包括报警灯按钮功能和LCD显示功能的实现作为附加内容。同样，军事委员会27设计的方便的粉尘监测系统也配备了ARM主控制板。与前者设计的系统不同，该系统包括太阳能电池板倾斜调整，平台的3D建模和仿真由SoildWorks软件实现。通过仿真模拟了系统的其他组件，从而设计了一种便携式粉尘监测装置室外箱。控制系统由传感器采集和通信、数据处理和与外部TFT显示器、状态显示器和按钮控制的驱动接口组成。通信接口包括以太网、串行通信、GPS通信、GPRS通信，数据处理接口包括数据存储、数据读取、状态存储和状态读取。关于道路施工监控系统的设计，数据传输选用GPRS移动无线传输。首先，激光粉尘传感器收集粉尘数据，然后集成中央处理器、随机存取存储器、多个IO端口和中断系统、定时器/计数器和其他多功能微控制器来接收数据和管理设备。
随着环境监测需求的不断变化，预测大气中颗粒物浓度的研究也在不断深化。上述大多数粉尘监测系统都可以实现粉尘数据的实时采集、传输和显示，但总体而言，缺乏对未来粉尘浓度的预测。准确的预测模型可以为环境保护提供具体的预警信息。由于颗粒浓度随时间变化的演变，机器学习算法正日益成为预测模型的主流选择。尚俊谦P基于神经网络的PM2.5浓度预测，通过输入影响PM2.5浓度的因素和历史数据，提出了一种基于神经BP网络的预测模型。此外，考虑到季节的影响，数据集被分为四种不同的预测模型，大大降低了均方误差：老挝腾飞在长三角基于深度学习的PM2.5浓度预测研究中特别强调了预测模型中参数的使用和PM2.5浓度扩散过程的数据表达方法，并提出了“收集器”作为郭国学的因果流分析。环境研究所提出，PM2.5浓度扩散法由中国科学院耦合。采用贝叶斯反演方法改进了PM2.5排放浓度的计算，结果表明反演结果优于原始系统。段金龙会基于三个预测模型的PM2.5浓度预测研究使用西安小寨天文台记录的空气质量测量结果作为公共数据集。提出了基于线性回归、神经网络和长短期记忆网络的浓度预测模型。通过比较未来72小时内预测的实验数据，发现长短期记忆网络的预测模型在1-15小时内具有最佳的预测效果。。
1.4 系统实现目标
通过开发和实施高效的粉尘监测系统，可以实现重点区域粉尘污染的实时监测和数据分析，为环境管理部门提供准确及时的数据支持，帮助制定更科学合理的防尘措施。该系统采用物联网传感器技术收集空气中的关键指标，提高监测精度。本研究旨在开发一种智能喷雾引导系统，该系统可以根据粉尘监测数据自动调整喷雾过程，实现精确的除尘。通过集成物联网通信模块，该系统可以远程接收监测数据并触发喷雾器，确保除尘的有效性，避免不必要的水资源浪费，体现了绿色节能的设计理念。研究物联网技术在城市扬尘控制中的最佳实践模式，提供技术支持和示范案例，促进智慧城市建筑，改善空气质量。通过这项研究，我们希望开发一种可重复和可扩展的粉尘监测和智能喷涂解决方案，为环境保护事业做出贡献。

2 系统整体方案设计
2.1 总体组成结构
粉尘监测系统设计用于实时监测温度、湿度、气压、噪声、风速、风向、PM2.5、PM10和TSP等九个参数。数据经过处理、传输和显示，形成一个完整的设备系统。
该系统包括一个在线监测系统和一个远程监测平台，有四个工作单元：数据采集、数据处理、数据传输和数据显示。系统中的多元气象盲箱作为数据采集单元，通过主控制器的STM32F103RET6芯片处理收集到的温度、湿度、气压、噪声、风速、风向、PM2.5、PM10和TSP等九个气象要素，并将其分为两个流进行传输。一个流通过RS485 MODBUS协议传输到系统服务器、监控平台和监管机构，而另一个流则通过RS232通信传输和显示。最后，用户可以通过物联网云监控平台或智能云环保应用程序远程实时了解监控区域的参数信息。不仅可以同时管理多个设备，还可以查询、统计和导出从每个设备收集的数据，从而实现智能环境监测。

图2.1总体组成结构图
2.2 主要器件选型
（1） 微处理器模块
系统主控制器的选择主要考虑Arduino和STM32。前者具有极高的代码封装优势，在开发过程中需要更少的指令，大大降低了开发难度。此外，芯片的大多数功能都有相应的库，易于访问。这正是复杂函数的可控性被削弱的原因。后者更侧重于实际工程应用，更适合具有控制或计算要求的系统。此外，在实际应用比较中，STM32系列芯片比Arduino更容易过热。虽然Arduino比STM32更容易使用，但底层操作的过度打包不可避免地会导致编程学习后获得的知识较弱。在成本方面，STM32系列的芯片也更低。综上所述，STM32更适合该系统的开发要求，因此首先选择STM32F103RET6微控制器作为控制器。它属于中低端32位ARM微控制器类别。
（2）显示方案的选择
LCD1602的液晶显示屏以其丰富的显示内容、清晰的可读性和合理的价格而著称。在众多的液晶显示设备中，液晶显示器以它独有的优点而得到了广泛地应用。该设备具备展示多行文字和数字数据的能力，能够满足各种不同的显示需求。在使用时只需将屏幕上的数据或图形通过数据线传送到计算机中去即可。其接口设计简洁，编程方便，在显示控制方面更为便捷。在综合权衡显示效果、成本以及应用需求等多个因素后，决定采用LCD1602显示屏作为本次设计的主要显示模块。
（3）PM2.5粉尘传感器的选择
本设计中使用的粉尘传感器是夏普光学粉尘传感器（GP2Y1014AU0F），它在检测香烟烟雾等非常细小的颗粒方面特别有效，是一种广泛使用的空气净化系统。在该装置中，红外发光二极管和光电晶体管对角排列，以检测空气中灰尘的反射光。该传感器功耗极低（最大20mA，典型11mA），可配备高达7VDC的传感器。输出是与测量的粉尘浓度成比例的模拟电压，灵敏度为0.5V10.1mg/m3。

3 系统硬件总体电路设计
3.1 单片机最小系统
3.1.1 单片机芯片
（1）STM32单片机的简介
最基本和最小的STM32电路必须具有用于启动微控制器的时钟电路、复位电路、电源电路和BOOT电路。此外，还需要下载电路来下载编译后的程序。该系统使用的MCU芯片为STM32F103C8T6：时钟电路选择一个8M晶体振荡器，主时钟复位电路提供给STM32。如果STM32的引脚7输入低电平，电路将被重置。大多数7引脚设备将连接到电阻器和电容器。通电后，电容器会被充电并对地短路：在电源电路中添加一个电容器进行滤波和去耦，电容器将滤除噪声和杂波。电源电压将为5V，然后使用电压调节器电路将电压降低到3.3V；下载电路被选择为串行端口下载，使用USB下载。STM32的启动模式将由BOOT电路的接线决定。该系统采用默认启动模式，并使用主闪存。

图3.1 STM32最小系统电路
3.1.2 电源电路
电路上存在多个电子元件需要不同的电源，因此需要合理的电路设计。粉尘监测仪由24V供电，需要+12V和+5V电源用于系统的样品泵，+12V电源用于运输，+10V电源用于流量计，+5V电源供ADC、温度传感器和串行USB芯片使用，+3.3V电源用于最小系统STM32。电源输入连接F300熔化电阻器，以防止短路造成电路损坏，短路抑制了通过SMJ24CA控制器和In8522整流器的多余电流和瞬态电压。整个系统采用DC-DC隔离电源模块和LDO电压调节芯片供电，实现宽输入（18V-36V，Typ24V）、±12V1.25A、+5V和3.3V。隔离电源采用OTTE TRA2412，输入18.30V输出12V，ITI109ACS8-12将12V转换为10V，LM7805CT将12V转化为5V，STM32最小系统所需的3.3V电压由芯片LM1117-3.3转换。

图3.2 电源电路图
3.1.3 晶振电路
MCU的时钟源就像嵌入式微控制器的脉冲。没有时钟信号，微控制器无法正常工作。MSP430f5438包含5个时钟源，包括XT1（低频振荡器）、VL0（低频内部振荡器）、REFO、DCO（内部RC振荡器）、XT2（高频振荡器）。XT1有LF（低频模式）和HF（高频模式）两种工作模式，标准源时钟高达32768Hz，也可以配置4MHz-32MHz高频模式。XT2产生高频时钟信号XT2 CLK，其工作方式类似于XT1的高频模式。
本文中的控制器同时使用两个外部晶体振荡器，高频时钟源XT2 CLK连接到8MHz晶体振荡器，低频时钟源XT1 CLK连接到32.768kHz晶体振荡器。两端连接到输入端（IN），输出端（OUT）连接，系统利用高容量和低电阻的特性，通过使用两个22pF电容器来提高晶体振荡器的可靠性。电路如图3.3所示。

图3.3 晶振电路图
3.1.4 复位电路
有两种复位方法，即系统上电复位和手动复位。接通后，芯片产生复位信号，一旦电源达到稳定状态，复位信号就会被取消。手动复位电路旨在防止程序调试期间出现程序执行等情况。手动复位是通过按钮开关将相应的脉冲手动输入芯片复位引脚的过程。当未按下复位按钮时，REST电压接近3.3V，MCU的复位引脚RST处于低电平，因此系统正常工作。在按下按钮的过程中，电容器释放之前的电流，REST两端的电压逐渐降低，从而实现系统的手动复位。为防止系统故障，系统复位信号必须持续一个时钟周期。因此，在设计过程中，在电路中添加电容器以确保可靠的系统复位。

图3.4 复位电路图
3.2 PM2.5模块