韋羽 陳江麗 甘永匯 楊澤成

摘 要：【目的】為解決傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)面臨的監(jiān)測對(duì)象單一、使用場所固定且缺乏靈活性、監(jiān)測數(shù)據(jù)缺乏深度加工等問題，從而設(shè)計(jì)一款多場景智能環(huán)境監(jiān)測機(jī)器人?！痉椒ā恳許TM32微控制器為核心，結(jié)合二氧化碳傳感器、溫濕度傳感器、有害氣體傳感器、激光粉塵傳感器、紅外模塊、超聲波模塊、顯示屏、電源、電機(jī)、直流減速電機(jī)、蜂鳴器、LED及Wi-Fi模塊，從而設(shè)計(jì)一款基于STM32的多場景智能環(huán)境監(jiān)測機(jī)器人，代替人為進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測及采集?！窘Y(jié)果】通過C語言與相關(guān)的STM32算法，實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境中的CO2濃度、空氣溫濕度、有害氣體、PM2.5濃度及PM10濃度等多種環(huán)境參數(shù)，同時(shí)也可遠(yuǎn)程及多場景監(jiān)測環(huán)境參數(shù)。當(dāng)監(jiān)測所得環(huán)境參數(shù)大于設(shè)置參考閾值，系統(tǒng)則會(huì)發(fā)出警報(bào)，提示操作者做出應(yīng)對(duì)措施。同時(shí)，機(jī)器人在對(duì)環(huán)境監(jiān)測過程中可自動(dòng)行駛與自動(dòng)避讓障礙物?！窘Y(jié)論】多場景智能環(huán)境監(jiān)測機(jī)器人設(shè)計(jì)具有實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境參數(shù)、遠(yuǎn)程監(jiān)測、多場景應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：STM32微控制器；二氧化碳傳感器；溫濕度傳感器；有害氣體傳感器；激光粉塵傳感器；避障傳感器

中圖分類號(hào)：TN02? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2024）05-0009-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.05.002

Design of Multi-scene Intelligent Environment Monitoring Robot

WEI Yu CHEN Jiangli GAN Yonghui YANG Zecheng

（School of Electronics and Information Engineering， Wuzhou University， Wuzhou 543000， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to solve the problems of the traditional environmental monitoring system， such as single monitoring object， fixed use place and lack of flexibility， and lack of deep processing of monitoring data. [Methods] STM32 microcontroller is the core， carbon dioxide sensor， temperature and humidity sensor， harmful gas sensor， laser dust sensor， infrared module， ultrasonic module， display screen， power supply， motor， DC gear motor， buzzer， LED and Wi-Fi module are combined. Therefore， a multi-scene intelligent environment monitoring robot based on STM32 is designed to monitor and collect environmental data by robot instead of human.? [Findings] C language and related STM32 algorithm were used to realize real-time monitoring of various environmental parameters such as CO2 concentration， PM2.5 concentration， PM10 concentration， air temperature and humidity， and harmful gases in the environment， as well as remote and multi-scene monitoring of environmental parameters. When the monitored environmental parameters are greater than the set reference threshold， the system sends an alarm to prompt the operator to take corresponding measures. At the same time， the robot can automatically drive and avoid obstacles in the process of environmental monitoring. [Conclusions] The design of multi-scene intelligent environmental monitoring robot has the advantages of real-time monitoring of environmental parameters， remote monitoring， multi-scene application， etc.， and has high application value.

Keywords： STM32 microcontroller； CO2 sensor；temperature and humidity sensor；harmful gas sensor；laser dust sensor； obstacle avoidance sensor

0 引言

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可以準(zhǔn)確、及時(shí)、全面地反映環(huán)境參數(shù)及發(fā)展趨勢，并為環(huán)境管理與環(huán)境決策等提供科學(xué)的依據(jù)，廣泛應(yīng)用于日常的生產(chǎn)生活中。例如溫室種植大棚、工業(yè)現(xiàn)場、存儲(chǔ)倉庫、工廠車間等場所都需要對(duì)環(huán)境進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)測把控［1-5］。但是傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)存在著監(jiān)測對(duì)象單一、使用場景固定且缺乏靈活性、監(jiān)測數(shù)據(jù)缺乏深度加工等問題，導(dǎo)致環(huán)境的監(jiān)測不能準(zhǔn)確地反映實(shí)時(shí)環(huán)境參數(shù)［6］。

針對(duì)以上情況，本研究設(shè)計(jì)了一款基于STM32多場景智能環(huán)境監(jiān)測機(jī)器人。該環(huán)境監(jiān)測機(jī)器人相對(duì)于傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)而言，可以同時(shí)為多對(duì)象提供監(jiān)測，或?qū)ν粚?duì)象進(jìn)行多點(diǎn)檢測，靈活應(yīng)用于各種場所，可以代替人為到危險(xiǎn)的環(huán)境中采集環(huán)境參數(shù)，同時(shí)可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境參數(shù)。當(dāng)監(jiān)測所得環(huán)境參數(shù)異常，則會(huì)發(fā)出警報(bào)，提示操作者做出應(yīng)對(duì)措施，及時(shí)消除監(jiān)測場所的危險(xiǎn)因素。

1 主要功能

多場景智能環(huán)境監(jiān)測機(jī)器人主要功能如表1所示。由電源、環(huán)境監(jiān)測、避障、驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)傳輸、報(bào)警及顯示單元組成。系統(tǒng)利用現(xiàn)代信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、傳感技術(shù)、控制技術(shù)、云端數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)，通過上位機(jī)和OLED顯示屏實(shí)時(shí)獲取各種環(huán)境參數(shù)，根據(jù)不同的監(jiān)測場景分析數(shù)據(jù)，并傳輸至數(shù)據(jù)端，對(duì)異常數(shù)據(jù)發(fā)出警報(bào)并提示操作，及時(shí)消除環(huán)境中的危險(xiǎn)因素。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 整體設(shè)計(jì)

多場景智能環(huán)境監(jiān)測機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

多場景智能環(huán)境監(jiān)測機(jī)器人由七個(gè)單元和STM32控制器組成。分別如下：STM32F 103ZET6最小系統(tǒng)、電源單元、環(huán)境監(jiān)測單元、避障單元、驅(qū)動(dòng)單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、報(bào)警單元、顯示單元。多場景智能環(huán)境監(jiān)測機(jī)器人以STM32F 103ZET6為主控，通過環(huán)境監(jiān)測單元、電源單元、顯示單元、報(bào)警單元及數(shù)據(jù)傳輸單元，實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境中的CO2濃度、空氣溫濕度、空氣中有害氣體濃度、PM2.5與PM10等數(shù)據(jù)，監(jiān)測所得數(shù)據(jù)通過OLED顯示或Wi-Fi模塊傳輸至數(shù)據(jù)庫，若監(jiān)測數(shù)據(jù)異常則發(fā)出警報(bào)。在實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境參數(shù)的過程中，通過驅(qū)動(dòng)單元與避障單元，改變機(jī)器人的行駛軌跡，自動(dòng)避開障礙物。

2.2 電源單元電路設(shè)計(jì)

多場景智能環(huán)境監(jiān)測機(jī)器人的環(huán)境監(jiān)測單元中的二氧化碳傳感器、有害氣體傳感器、PM2.5/PM10傳感器的工作電壓采用5 V的直流供電；溫濕度傳感采用3.3～5 V供電；ESP8266 Wi-Fi模塊和STM32F 103ZET6工作電壓為3.3 V，故需要設(shè)計(jì)電壓轉(zhuǎn)化電路，使電路中產(chǎn)生12 V、5 V、3.3 V這三種電壓。電壓轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

2.3 環(huán)境監(jiān)測單元電路設(shè)計(jì)

2.3.1 二氧化碳傳感器。二氧化碳監(jiān)測模塊采用MH-Z14二氧化碳傳感器。該傳感器是一款通用的智能小型傳感器［7］，利用NDIR原理監(jiān)測環(huán)境中的二氧化碳濃度，具備高靈敏度、壽命長、低功耗、內(nèi)置溫度補(bǔ)償?shù)忍攸c(diǎn)。二氧化碳傳感器通過STM32的串口1進(jìn)行監(jiān)測環(huán)境參數(shù)及數(shù)據(jù)傳輸，二氧化碳傳感器與STM32微控制的硬件連接如圖3所示。

2.3.2 溫濕度傳感器。溫濕度監(jiān)測模塊采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，為已校準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，能實(shí)時(shí)采集環(huán)境參數(shù)中的溫度、濕度。在對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測時(shí)具備抗干擾能力強(qiáng) ，測量精度高，響應(yīng)時(shí)間快等優(yōu)勢。DHT11溫濕度傳感器與STM32微控制的硬件連接如圖4所示。

2.3.3 有害氣體傳感器。有害氣體監(jiān)測模塊采用由SnO2作為導(dǎo)體材質(zhì)的MQ-135有害氣體傳感器?？梢员O(jiān)測空氣中的一氧化碳、硫化物、苯等有害氣體，具備響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好、使用壽命長及在一定范圍內(nèi)對(duì)有害氣體具有較好的靈敏度等特點(diǎn)。在對(duì)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行有害氣體監(jiān)測時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率會(huì)隨著有害氣體濃度的增大而增大，可采用ADC方式將電導(dǎo)率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓。有害氣體傳感器與STM32微控制的硬件連接如圖5所示。

2.3.4 PM2.5/PM10傳感器。PM2.5/PM10監(jiān)測模塊采用FS00202激光粉塵傳感器。該傳感器是一款數(shù)字式的通用顆粒物濃度傳感器，具備多種通信方式如IIC、USART、PWM等，利用激光散射原理對(duì)空氣中的懸浮物進(jìn)行監(jiān)測，其具有使用壽命長、靈敏度高、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。PM2.5/PM10傳感器與STM32微控制的硬件連接如圖6所示。

2.4 避障單元電路設(shè)計(jì)

避障單元采用具有反應(yīng)迅速的紅外避障模塊和具備優(yōu)良方向性能的HC-HR04超聲波傳感器相結(jié)合［8-9］?？梢越鉀Q機(jī)器人在行駛過程中使用單一傳感器避障效率低及準(zhǔn)確度差等問題，保證機(jī)器人運(yùn)行安全。多路傳感器采集到的各種信號(hào)發(fā)送給STM32微控制器，微控制器對(duì)不同的信號(hào)采用不同的避障策略［10］。紅外避障傳感器與STM32微控制的硬件連接如圖7所示。

超聲波傳感器模塊與STM32微控制的硬件連接如圖8所示。

2.5 驅(qū)動(dòng)單元電路設(shè)計(jì)

環(huán)境監(jiān)測機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)單元件選擇520直流減速電機(jī)與TB6 612FNG電機(jī)組成。直流減速電機(jī)具有扭轉(zhuǎn)大、穩(wěn)定性好、轉(zhuǎn)速高等特點(diǎn)，而TB6 612FNG電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊具備雙通道電路輸出，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩部電機(jī)并具有啟、停、正、反轉(zhuǎn)四種控制模式的優(yōu)勢。STM32微控制器通過PWM信號(hào)輸出控制TB6 612FNG的AO/BO引腳輸出不同的電壓，STM32微控器IO口輸出的高、低電平控制電機(jī)的運(yùn)行方向。520直流減速電機(jī)、TB6 612FNG電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊與STM32微控制的硬件連接如圖9所示。

2.6 數(shù)據(jù)傳輸單元電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)傳輸電路主要通過ESP8266 Wi-Fi通信模塊實(shí)現(xiàn)。ESP8266 Wi-Fi通信模塊支持TCP/IP協(xié)議與IEEE802.11協(xié)議，內(nèi)置32位CPU，可獨(dú)立運(yùn)行，也可作為從機(jī)搭載其他主機(jī)MCU運(yùn)行，進(jìn)行編程時(shí)可直接通過發(fā)送指令來實(shí)現(xiàn)。其廣泛應(yīng)用于智能家居、終端數(shù)據(jù)顯示、無線傳感器等領(lǐng)域，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。Wi-Fi通信模塊與STM32微控制的硬件連接如圖10所示。

2.7 報(bào)警單元電路設(shè)計(jì)

在環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測中，對(duì)于數(shù)據(jù)的分析是必不可少的環(huán)節(jié)，若所監(jiān)測到的環(huán)境參數(shù)大于正常的環(huán)境參數(shù)，需要做出相應(yīng)的警示。報(bào)警模塊所使用的元件為LED與蜂鳴器，當(dāng)數(shù)據(jù)異?；蛘叩竭_(dá)預(yù)警值則發(fā)出警報(bào)，提示操作者及時(shí)消除監(jiān)測點(diǎn)的不安全環(huán)境參數(shù)。報(bào)警電路的警報(bào)燈直接采用微控制器的LED0即可，而蜂鳴器采用蜂鳴器模塊，蜂鳴器模塊與STM32微控制的硬件連接如圖11所示。

2.8 顯示模塊

數(shù)據(jù)顯示模塊采用0.96英寸OLED屏幕。OLED顯示屏為自發(fā)光材料、屏幕畫質(zhì)均勻、反應(yīng)速度快，能夠直接顯示監(jiān)測的各種環(huán)境參數(shù)。OLED顯示屏與STM32微控制電路連接如圖12所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序流程如圖13所示。

系統(tǒng)啟動(dòng)后，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，環(huán)境監(jiān)測機(jī)器人開始運(yùn)動(dòng)，各類傳感器開始監(jiān)測環(huán)境參數(shù)，收集監(jiān)測數(shù)據(jù)并傳輸至STM32微控制中。系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理后，通過Wi-Fi模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至手機(jī)端或者上位機(jī)，再返回。

4 結(jié)語

本研究詳細(xì)地介紹了多場景智能環(huán)境監(jiān)測機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)過程，并通過機(jī)器人整體測試驗(yàn)證了智能環(huán)境監(jiān)測機(jī)器人的有效性與可靠性。結(jié)果表明，該環(huán)境監(jiān)測機(jī)器人可以實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境中的二氧化碳濃度、空氣溫濕度、有害氣體及PM2.5/PM10濃度等環(huán)境參數(shù)；通過Wi-Fi模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測及多場景監(jiān)測功能；通過避障單元實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測機(jī)器人自動(dòng)行駛與自動(dòng)避讓。該機(jī)器人在實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境參數(shù)過程中，對(duì)于監(jiān)測異常的環(huán)境參數(shù)，系統(tǒng)可發(fā)出警報(bào)，及時(shí)通知工作人員消除監(jiān)測點(diǎn)的不安全環(huán)境參數(shù)。系統(tǒng)的整個(gè)電路結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

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