隨著環(huán)保政策的收緊與智慧城市建設(shè)的推進，傳統(tǒng)的人工揚塵巡查方式已無法滿足實時化、精準化的監(jiān)管需求。本文分享一套以STM32為主控，集成激光PM2.5/PM10傳感器，并采用LoRa遠距離通信的揚塵在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案。文章將深度剖析硬件選型、電路設(shè)計、低功耗策略以及數(shù)據(jù)濾波算法，并分享在真實工地環(huán)境中遇到的挑戰(zhàn)與解決方案。

一、 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本系統(tǒng)的設(shè)計目標是實現(xiàn)無人值守、實時數(shù)據(jù)上報與低功耗運行。整體架構(gòu)如下方的系統(tǒng)框所示：

+-------------------+ +-----------------+ +-----------------+ +-----------+ | 傳感器集群 | | 主控MCU | | 通信模塊 | | 云平臺 | | | | | | | | | | · 激光粉塵傳感器 -|--UART-->| | | | | | | · 溫濕度傳感器 -|--I2C--->| STM32F103 |--UART-->| LoRa模塊 |---無線--->| IoT | | · 風速風向傳感器 -|--ADC--->| | | (SX1278) | | 云端 | | | | | | | | | +-------------------+ +-----------------+ +-----------------+ +-----------+ | | | | +----------+ +-----------+ | SD卡 | | 太陽能 | | 存儲模塊 | | 供電系統(tǒng) | +----------+ +-----------+

工作流程：傳感器集群采集環(huán)境數(shù)據(jù)，通過UART、I2C等接口傳送給STM32主控進行數(shù)據(jù)處理與融合；處理后的數(shù)據(jù)可通過LoRa無線發(fā)送至遠處的網(wǎng)關(guān)，最終上傳至云平臺；同時，數(shù)據(jù)可本地存儲于SD卡以備查驗；整個系統(tǒng)由太陽能電池板與鋰電池聯(lián)合供電。

二、 硬件設(shè)計與選型（核心技術(shù)解析）

1. 傳感器模塊：系統(tǒng)的“眼睛”

原理：我們選用的是激光散射原理的顆粒物傳感器（如攀藤PMS5003系列）。其工作原理是：激光二極管照射空氣中的懸浮顆粒物，產(chǎn)生散射光，散射光被光電探測器接收并轉(zhuǎn)化為電信號。通過分析信號的強弱與頻率，即可計算出單位體積內(nèi)不同粒徑（如PM2.5、PM10）的顆粒物數(shù)量。

優(yōu)勢：精度高、響應快、可連續(xù)監(jiān)測。

電路設(shè)計：該傳感器采用UART通信，接口電路非常簡單，只需連接VCC、GND、TX、RX即可。需要注意的是，MCU端的UART電平需與傳感器匹配（通常是3.3V），并在RX/TX線上串聯(lián)適當電阻以提高穩(wěn)定性。

2. 主控單元（MCU）：系統(tǒng)的“大腦”

選型：我們選擇了意法半導體的STM32F103C8T6。理由如下：

性能充足：Cortex-M3內(nèi)核，72MHz主頻，足以勝任多路數(shù)據(jù)采集、復雜運算和協(xié)議處理。

外設(shè)豐富：擁有多個UART、I2C、SPI和ADC接口，完美對接所有傳感器和通信模塊。

成本與生態(tài)：性價比極高，且社區(qū)資源豐富，開發(fā)便捷。

設(shè)計要點：需要設(shè)計一個穩(wěn)定的3.3V LDO為其供電，并配置好復位電路、boot模式選擇電路以及SWD調(diào)試接口。

3. 通信模塊：系統(tǒng)的“嘴巴”

選型：對于工地、礦區(qū)等無蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋或需要極低運行成本的場景，LoRa技術(shù)是理想選擇。我們采用基于SX1278芯片的LoRa模塊。

優(yōu)勢：傳輸距離遠（可達數(shù)公里）、功耗極低、穿透能力強。

劣勢：數(shù)據(jù)傳輸速率較慢，但對于每分鐘上傳一次的監(jiān)測數(shù)據(jù)流綽綽有余。

電路設(shè)計：LoRa模塊同樣通過UART與MCU連接。天線接口部分的匹配電路和PCB布局至關(guān)重要，應嚴格按照芯片手冊設(shè)計，并使用π型匹配網(wǎng)絡(luò)以確保射頻性能。天線應優(yōu)先選擇標準的SMA接口膠棒天線。

4. 電源管理模塊：系統(tǒng)的“心臟”

設(shè)計：為應對野外部署，系統(tǒng)采用12V/20W太陽能電池板 的供電方案。

核心電路：使用一顆MPPT（最大功率點跟蹤）充電芯片（如CN3791）來高效管理太陽能板對電池的充電。系統(tǒng)各模塊所需電壓（12V, 5V, 3.3V）通過DCDC降壓芯片（如LM2596、MP1584）和LDO（如AMS1117-3.3）轉(zhuǎn)換獲得。DCDC用于大電流部分（如LoRa模塊發(fā)射時），以提高轉(zhuǎn)換效率；LDO用于對噪聲敏感的核心MCU，以保證穩(wěn)定性。

四、 實戰(zhàn)中的挑戰(zhàn)與解決方案（精華部分）

挑戰(zhàn)1：高濕環(huán)境導致數(shù)據(jù)虛高

問題：在雨霧天氣，空氣中的水蒸氣也會被激光散射，導致PM2.5讀數(shù)異常偏高。

解決方案：

硬件補償：集成高精度溫濕度傳感器（如SHT30），同時采集濕度數(shù)據(jù)。

軟件算法：在MCU中植入濕度補償算法。當環(huán)境濕度高于設(shè)定閾值（如75%RH）時，對PM2.5讀數(shù)進行按比例修正。公式可簡化為：PM2.5_corrected = PM2.5_raw * (1 - k * (RH - 75))，其中k為通過大量實驗數(shù)據(jù)擬合出的補償系數(shù)。

挑戰(zhàn)2：設(shè)備長期穩(wěn)定性與防護

問題：工地環(huán)境惡劣，粉塵會污染傳感器光路，影響長期精度。

解決方案：

結(jié)構(gòu)設(shè)計：設(shè)計專用的“防風防雨防塵”采樣氣道。進氣口設(shè)計迷宮結(jié)構(gòu)，防止大顆粒物和水滴直接進入，同時保證空氣流通。

自清潔功能：在軟件中增加“自動吹掃”功能。通過控制一個微型氣泵或風扇，定期（如每6小時）反向或高壓吹氣，清潔傳感器內(nèi)部光路，有效延長維護周期。

五、 總結(jié)與展望

本文詳細闡述了一套完整、可落地的揚塵監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案。該方案具備精度高、距離遠、功耗低、適用性強的特點，特別適合在無市電、無網(wǎng)絡(luò)的復雜戶外環(huán)境中部署。

未來展望，我們正探索兩項技術(shù)升級：

AI圖像識別：在設(shè)備上增加攝像頭，通過AI算法識別畫面中的揚塵可見度，與傳感器數(shù)據(jù)進行融合，使監(jiān)測結(jié)果更加多維和智能。

邊緣計算：在設(shè)備端直接進行數(shù)據(jù)趨勢分析、超標報警，減少對云端的依賴，實現(xiàn)更快速的現(xiàn)場響應。

結(jié)語：
希望本次技術(shù)分享能為各位工程師朋友在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的開發(fā)工作帶來一些啟發(fā)。我們深知，把一個idea變成穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品，過程中充滿了挑戰(zhàn)。歡迎在評論區(qū)交流您在物聯(lián)網(wǎng)硬件開發(fā)中遇到的難題與心得。