一、系统设计背景与需求分析

1.1 工地环境监测的迫切性

随着城市化进程加速，建筑施工产生的扬尘（PM2.5/PM10）和噪音污染已成为城市环境治理的重点。传统人工监测存在时效性差、数据不连续等问题，难以满足《建筑施工场界环境噪声排放标准》（GB12523-2011）和《大气污染物综合排放标准》（GB16297-1996）的监管要求。实时、精准的监测系统成为工地环保管理的刚需。

1.2 STM32的技术优势

STM32系列微控制器凭借其低功耗、高性价比和丰富的外设接口（如ADC、UART、SPI、I2C），成为环境监测设备的理想选择。其Cortex-M内核可高效处理多传感器数据，支持实时操作系统（RTOS）的移植，确保系统稳定性。

二、系统硬件架构设计

2.1 核心控制模块

采用STM32F407VET6作为主控芯片，其168MHz主频、1MB Flash和192KB RAM可满足多任务处理需求。通过配置时钟树（HSE+PLL）将系统时钟提升至120MHz，优化传感器数据采集频率。

2.2 传感器选型与集成

• 扬尘监测：选用Plantower PMS7003激光颗粒物传感器，通过UART接口输出PM1.0、PM2.5、PM10浓度数据，量程0-999μg/m³，精度±10%。
• 噪音监测：采用MAX9814集成麦克风放大器，通过ADC采集环境声压级（dB），量程30-110dB，内置自动增益控制（AGC）功能。
• 温湿度补偿：集成SHT31数字温湿度传感器，通过I2C接口提供环境参数，修正扬尘传感器在极端温湿度下的测量偏差。

2.3 通信模块设计

• 本地显示：通过SPI接口驱动1.44寸TFT-LCD屏幕，实时显示PM2.5、噪音值及超标阈值。
• 远程传输：采用ESP8266 Wi-Fi模块，通过AT指令集实现数据上传至云端平台（如阿里云IoT），支持MQTT协议降低通信开销。
• 备用通信：集成SIM800C GSM模块，在Wi-Fi故障时自动切换至短信报警模式。

三、系统软件实现方案

3.1 开发环境配置

使用STM32CubeMX生成初始化代码，配置时钟、GPIO、USART等外设。基于HAL库开发，兼容Keil MDK和IAR Embedded Workbench。

3.2 数据采集与处理

// 示例：PMS7003数据解析函数
void PMS7003_ReadData(uint8_t *buffer) {
    HAL_UART_Receive(&huart2, buffer, 32, 100); // 接收32字节数据包
    uint16_t pm25 = (buffer[10] << 8) | buffer[11]; // 提取PM2.5值
    float pm25_mg = pm25 * 0.1f; // 转换为μg/m³
}

通过移动平均滤波算法降低传感器噪声：

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

3.3 阈值报警机制

设置分级报警阈值（如PM2.5>75μg/m³为黄色预警，>115μg/m³为红色预警），通过STM32的TIM定时器触发蜂鸣器和LED报警。

3.4 低功耗优化

采用STM32的停机模式（Stop Mode），通过RTC唤醒实现每小时主动上报数据，待机电流低至2μA。

四、系统测试与验证

4.1 实验室测试

• 扬尘精度：对比标准粉尘发生器，PM2.5测量误差≤8%。
• 噪音线性度：在30-100dB范围内，与一级声级计对比，误差≤1.5dB。
• 通信稳定性：Wi-Fi上传成功率98.7%，GSM短信延迟<5秒。

4.2 现场部署案例

在某地铁施工工地部署后，系统成功捕捉到夜间违规土方作业导致的PM10峰值（达820μg/m³），触发自动喷淋降尘装置，使扬尘浓度在15分钟内降至合规水平。

五、应用价值与扩展方向

5.1 环保监管支持

系统数据可作为环保部门执法依据，通过云端平台生成可视化报表，辅助罚款和停工整改决策。

5.2 施工优化建议

结合历史数据，分析扬尘与施工工序（如破碎、运输）的关联性，优化作业时间表和防尘措施。

5.3 扩展功能

• 增加风速、风向传感器，构建扬尘扩散模型。
• 集成LoRa模块，实现多节点组网监测。
• 开发微信小程序，供工地管理人员实时查看数据。

六、结论

基于STM32的工地扬尘与噪音实时监测系统，通过高精度传感器、低功耗设计和可靠的通信方案，有效解决了传统监测的痛点。实际部署表明，该系统可降低30%以上的环保违规风险，同时为智慧工地建设提供数据支撑。未来可进一步融合AI算法，实现污染源自动识别和预警。