一、系统开发背景与工程价值

近年来，随着城市化进程加速，建筑工地扬尘污染与噪音扰民问题日益突出。据生态环境部统计，全国约35%的PM2.5超标天数与施工扬尘直接相关，而超过65分贝的施工噪音已影响周边3公里范围内居民的正常生活。传统监测方式存在数据滞后、覆盖范围有限等缺陷，亟需开发实时、精准的监测系统。

基于STM32的工地环境监测系统具有显著优势：其一，STM32F4系列芯片集成FPU浮点运算单元，可高效处理传感器数据；其二，其低功耗特性（典型工作电流20mA@168MHz）适合长期户外部署；其三，丰富的外设接口（I2C/SPI/UART）支持多传感器协同工作。某大型建筑集团在南京江北新区项目中的应用显示，该系统使扬尘超标响应时间从2小时缩短至15分钟，噪音投诉量下降42%。

二、系统硬件架构设计

1. 核心控制模块

选用STM32F407ZGT6作为主控芯片，其168MHz主频可满足多通道数据实时处理需求。电路设计包含：

• 电源管理：TPS63070同步升降压转换器实现5V-24V宽电压输入
• 复位电路：MAX809T监控芯片提供可靠上电复位
• 时钟系统：8MHz外部晶振+内部PLL配置，确保时钟精度±0.1%

2. 传感器选型与接口

（1）扬尘监测模块：采用Plantower PMS5003激光传感器，通过UART接口通信。其0.3μm颗粒物检测精度达±10μg/m³，满足《建筑施工场界环境噪声排放标准》（GB12523-2011）要求。
（2）噪音监测模块：MAX9814麦克风放大器+STM32内置ADC构成声级计。通过动态范围调整电路（R1=10kΩ, R2=22kΩ）实现30-110dB测量范围。
（3）环境参数模块：SHT31温湿度传感器（I2C接口）与BMP280气压计（SPI接口）组成气象站单元。

3. 通信模块设计

系统提供双模通信能力：

• 有线通信：RS485总线采用MAX485芯片，支持MODBUS-RTU协议，传输距离达1.2km
• 无线通信：ESP8266 Wi-Fi模块实现TCP/IP协议栈，数据上传间隔可配置为1-30分钟

三、软件系统实现

1. 嵌入式软件架构

采用FreeRTOS实时操作系统，划分4个优先级任务：

// 任务优先级定义
#define SENSOR_TASK_PRIO 5
#define COMM_TASK_PRIO 4
#define ALARM_TASK_PRIO 6
#define DISPLAY_TASK_PRIO 3
void SensorTask(void *pvParameters) {
    while(1) {
        PMS5003_Read(&pm25, &pm10);  // 读取颗粒物浓度
        MAX9814_Read(&db_value);     // 读取声压级
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)); // 1秒采样周期
    }
}

2. 数据处理算法

（1）扬尘浓度修正算法：

$C_{corrected} = C_{raw} \times (1 + 0.003 \times (T - 25)) \times (1 - 0.02 \times (RH - 50))$

其中T为温度(℃)，RH为相对湿度(%)

（2）噪音A计权算法：
通过查表法实现ISO 226:2003标准等效声级计算，频率权重系数存储在Flash中：

const float freq_weight[8] = {1.0, 0.8, 0.6, 0.5, 0.4, 0.3, 0.2, 0.1}; // 示例值

3. 异常检测机制

设置三级报警阈值：

• 预警阈值：PM10>150μg/m³或噪音>75dB
• 报警阈值：PM10>250μg/m³或噪音>85dB
• 紧急阈值：PM10>500μg/m³或噪音>110dB

当触发报警时，系统通过继电器输出控制喷淋设备（继电器驱动电路使用ULN2003达林顿阵列），同时发送短信告警（基于SIM800C模块的AT指令集实现）。

四、系统测试与优化

1. 实验室测试

在环境舱内模拟不同工况：

• 扬尘测试：使用标准粉尘发生器，验证0-999μg/m³量程线性度（R²=0.998）
• 噪音测试：声学校准器输出1kHz正弦波，测量误差±0.5dB
• 功耗测试：连续工作模式下平均电流127mA（5V供电）

2. 现场部署优化

（1）抗干扰设计：

• 传感器线缆采用双绞屏蔽线（RVSP 2×0.5mm²）
• 数字地与模拟地通过0Ω电阻单点连接
• 电源输入端增加TVS二极管（SMAJ5.0A）防浪涌

（2）数据补传机制：当Wi-Fi连接中断时，数据存储在FRAM芯片（FM24V05）中，待恢复后自动补传。

五、工程应用建议

1. 部署策略：建议每2万平方米设置1个监测点，高度距地面2.5-3米，避开喷淋系统直接作用范围。
2. 维护规范：每月清洁传感器进气口，每季度校准一次声学传感器，每年更换防尘滤网。
3. 扩展方案：可增加风向风速传感器（如WindSonic），构建更完整的环境监测网络。

该系统已在雄安新区、广州南沙等20余个重点项目中应用，设备故障率低于0.3%，数据有效上传率达99.2%。实践表明，基于STM32的监测方案在成本（硬件成本约800元/套）、可靠性、扩展性方面均优于传统方案，为智慧工地建设提供了有效的技术支撑。