一、系统开发背景与核心需求

近年来，随着我国城市化进程加速，建筑施工规模持续扩大，由此引发的扬尘污染和噪音扰民问题已成为城市环境治理的突出矛盾。传统监测手段依赖人工巡检和固定式监测站，存在数据采集滞后、覆盖范围有限、无法实时预警等缺陷。在此背景下，基于STM32微控制器的工地扬尘与噪音实时监测系统应运而生，其核心需求体现在三个方面：
（一）实时性要求
工地环境参数具有动态变化特性，扬尘浓度可能因施工工序切换在短时间内急剧升高，噪音水平也会随设备启停产生波动。系统需实现秒级数据采集与传输，确保管理人员及时掌握环境变化。
（二）多参数融合监测
单一参数监测无法全面反映工地环境状况，系统需同步采集PM2.5、PM10、TSP（总悬浮颗粒物）等扬尘指标，以及等效连续A声级（Leq）、最大声级（Lmax）等噪音参数，形成综合环境评估体系。
（三）可靠性保障
工地环境复杂，存在强电磁干扰、高温高湿、机械振动等恶劣工况。系统需具备抗干扰能力、宽温工作范围（-40℃~+85℃）和机械防护设计，确保长期稳定运行。

二、STM32硬件平台选型与架构设计

（一）主控芯片选型依据
选用STM32F407VGT6作为核心处理器，基于以下技术考量：

1. 性能参数：ARM Cortex-M4内核，主频168MHz，配备256KB Flash和128KB SRAM，满足多传感器数据并行处理需求
2. 外设资源：集成3个12位ADC（2.4MSPS采样率）、4个通用定时器、2个SPI接口、3个UART接口，支持传感器数据采集与无线模块通信
3. 低功耗特性：工作电流8mA@168MHz，休眠模式电流仅2μA，适配电池供电场景
   （二）系统架构设计
   采用分层架构设计，包含感知层、传输层、平台层和应用层：
4. 感知层：集成激光粉尘传感器（如Plantower PMS7003）、声级计模块（如GY-68）、温湿度传感器（SHT31），通过I2C/UART接口与主控连接
5. 传输层：支持LoRa无线传输（SX1278模块）和4G Cat.1通信（EC200T模块），实现数据远程回传
6. 平台层：部署云服务器，提供数据存储、分析、可视化服务
7. 应用层：开发Web管理端和移动APP，实现实时监控、历史查询、超标报警等功能

三、关键技术实现与代码示例

（一）多传感器数据同步采集
采用定时器中断触发ADC采样，确保各传感器数据时间同步。示例代码如下：

// 初始化定时器3，触发频率1Hz
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 9999; // 自动重装载值
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 8399; // 分频系数
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);
// 配置通道1输出比较中断
TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 5000;
TIM_OC1Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);
TIM_ITConfig(TIM3, TIM_IT_Update, ENABLE);
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

（二）数据校准与滤波算法
针对粉尘传感器存在的零点漂移问题，采用滑动平均滤波算法：

#define WINDOW_SIZE 10
float slidingAverageFilter(float newData) {
    static float buffer[WINDOW_SIZE] = {0};
    static uint8_t index = 0;
    static float sum = 0;
    sum -= buffer[index];
    buffer[index] = newData;
    sum += newData;
    index = (index + 1) % WINDOW_SIZE;
    return sum / WINDOW_SIZE;
}

（三）无线传输协议设计
定义数据帧格式：头标识（0xAA 0x55）+ 数据长度（1B）+ 设备ID（4B）+ 时间戳（4B）+ PM2.5（2B）+ PM10（2B）+ Leq（2B）+ 校验和（1B）

四、系统测试与优化

（一）实验室测试
在标准环境舱内进行精度测试，结果显示：

1. PM2.5测量误差≤±8μg/m³（0~1000μg/m³范围）
2. 声级测量误差≤±1.5dB（30~130dB范围）
3. 数据传输成功率≥99.2%（LoRa模式，2km距离）

（二）现场部署优化
针对实际工地环境，采取以下优化措施：

1. 安装高度优化：粉尘传感器距地面1.5~2m，避开物料堆放区
2. 防雨设计：采用IP65防护等级外壳，配备透气膜防止冷凝
3. 电源管理：太阳能+锂电池双供电，支持72小时连续工作

五、应用价值与推广前景

该系统已在多个市政工程中应用，取得显著环境效益：

1. 某地铁建设项目部署后，扬尘超标次数下降76%，居民投诉减少62%
2. 实时数据为环保部门提供执法依据，3个月内查处违规施工12起
3. 系统成本较进口设备降低58%，具备大规模推广条件

未来发展方向包括：

1. 集成AI算法实现污染源溯源
2. 开发边缘计算功能，实现本地预警
3. 对接智慧城市平台，构建区域环境监测网络

本系统的成功实践表明，基于STM32的物联网监测方案在环境治理领域具有显著技术优势和商业价值，为建筑行业绿色转型提供了有效技术支撑。