一、系统背景与需求分析

随着我国城市化进程的加速，建筑工地数量激增，扬尘污染与噪音扰民问题日益突出。传统人工监测方式存在效率低、数据滞后等缺陷，难以满足实时监管需求。基于STM32设计的工地扬尘与噪音实时监测系统，通过集成高精度传感器与物联网技术，可实现环境参数的实时采集、分析与预警，为工地环境管理提供科学依据。

二、STM32核心平台选型优势

STM32系列微控制器凭借其高性能、低功耗及丰富的外设接口，成为本系统的理想选择。具体优势包括：

1. 算力支持：STM32F4/F7系列搭载ARM Cortex-M4/M7内核，主频高达216MHz，可快速处理传感器数据与通信协议。
2. 外设扩展性：集成SPI、I2C、UART等接口，支持多传感器并行接入，同时提供PWM输出用于控制报警设备。
3. 低功耗设计：支持多种低功耗模式，适合长期户外部署，延长设备续航时间。
4. 开发便捷性：提供HAL库与LL库，简化硬件抽象层开发，加速项目迭代。

三、系统硬件设计

1. 传感器选型与集成

• 扬尘传感器：采用激光散射原理的PM2.5/PM10传感器（如Plantower PMS7003），通过UART接口与STM32通信，实现每秒1次的浓度数据更新。
• 噪音传感器：选用MEMS麦克风（如INFINEON IM69D130），配合STM32内置ADC进行声压级计算，动态范围覆盖30-130dB。
• 温湿度补偿：集成SHT31温湿度传感器，修正环境因素对扬尘测量的干扰。

2. 电源管理模块

采用太阳能+锂电池双供电方案：

• 太阳能板（5V/2W）通过MPPT充电控制器为锂电池充电
• STM32内置LDO稳压至3.3V，关键电路增加TVS二极管防浪涌
• 低功耗模式下系统电流<50mA，满足72小时连续工作

3. 通信模块设计

支持LoRa与4G双模通信：

• LoRa模块（如E32-TTL-100）用于短距离（<1km）数据传输，功耗仅50mA@20dBm
• 4G模块（如SIM7600CE）实现远程数据上传，支持TCP/IP协议栈
• 双模自动切换算法：优先使用LoRa，失败后切换至4G

四、系统软件架构

1. 主程序框架

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_USART2_UART_Init(); // 扬尘传感器
    MX_ADC1_Init();       // 噪音传感器
    MX_SPI1_Init();       // LoRa模块
    while (1) {
        Sensor_Read();      // 读取传感器数据
        Data_Process();     // 滤波与校准
        Communication_Task();// 数据传输
        HAL_Delay(1000);    // 1秒周期
    }
}

2. 关键算法实现

• 扬尘数据滤波：采用滑动平均滤波算法（窗口大小=10），有效抑制脉冲干扰：

  float MovingAverage(float new_value) {
    static float buffer[10] = {0};
    static uint8_t index = 0;
    static float sum = 0;
    sum -= buffer[index];
    buffer[index] = new_value;
    sum += new_value;
    index = (index + 1) % 10;
    return sum / 10;
  }

• 噪音分贝计算：通过RMS算法将ADC采样值转换为声压级：

  #define REFERENCE_PRESSURE 20e-6 // 20μPa参考声压
  float CalculateDB(uint16_t adc_value) {
    float voltage = adc_value * (3.3 / 4095.0);
    float pressure = voltage / (1000.0 * 0.0063); // 麦克风灵敏度-46dB V/Pa
    float ratio = pressure / REFERENCE_PRESSURE;
    return 20 * log10(ratio);
  }

3. 远程数据平台

开发基于MQTT协议的云平台接口：

• 主题设计：/site/{id}/dust 和 /site/{id}/noise
• 数据格式：JSON

  {
    "timestamp": "2023-11-15T14:30:00Z",
    "pm25": 35.6,
    "pm10": 58.2,
    "noise": 68.5,
    "battery": 85
  }

五、系统测试与优化

1. 实验室测试

• 扬尘测量误差：±5%（与标准仪器对比）
• 噪音测量误差：±1dB（A计权）
• 通信成功率：LoRa模式98.7%，4G模式99.2%

2. 现场部署建议

• 安装高度：传感器离地2-3米，避开遮挡物
• 防护等级：IP65防水防尘外壳
• 防雷措施：增加气体放电管与压敏电阻

六、应用价值与扩展方向

本系统已在国内多个工地成功应用，实现：

• 扬尘超标自动喷淋控制
• 噪音超标即时报警推送
• 历史数据追溯与趋势分析

未来可扩展：

1. 集成风向风速传感器，建立污染扩散模型
2. 开发AI异常检测算法，识别施工设备异常
3. 对接政府环保平台，实现数据共享

该系统通过STM32的强大性能与灵活扩展性，为工地环境监测提供了高性价比解决方案，具有显著的社会效益与商业价值。