摘要:随着城市化进程加快与工业活动频繁，环境质量的实时监测变得尤为重要。尤其是在大气、水体和土壤污染问题日益凸显的背景下，开发一套灵活、便携、可靠的环境参数采集与监测装置成为环境治理与研究的重要技术支撑。本文基于STM32 微控制器平台，设计了一款集成多种传感器模块的便携式环境监测装置，能够对温湿度、空气质量、光照强度等关键环境参数进行实时采集、处理与显示。系统硬件采用模块化结构，软件部分通过嵌入式 C 语言开发，结合LCD 显示与串口通信实现数据的本地展示与远程传输。研究结果表明，该装置具有响应速度快、功耗低、精度高、扩展性强等优点，适用于野外环境监测、实验教学及移动科研平台，为环境感知系统提供了实用的技术路径与实施参考。

关键词：STM32；环境监测；传感器；数据采集；便携式设备

引言

环境监测技术的发展是推动生态文明建设、实现可持续发展的重要支撑力量。传统的环境监测设备多为体积庞大、部署复杂的定点式系统，难以满足对移动性、高频度、多参数采集的现实需求。随着嵌入式系统和传感器技术的快速进步，开发便携化、小型化、智能化的监测装置逐渐成为研究热点。STM32 作为性能优越、功耗低、性价比高的微控制器，在工业控制、智能设备、环境感知等领域广泛应用。其强大的运算处理能力与丰富的外设接口资源，为便携式环境采集设备的功能集成与系统优化提供了良好的平台支持。

一、系统总体设计思路与功能需求分析

本装置旨在实现对多种典型环境参数的采集与监测，系统设计应满足数据实时性、设备便携性、操作简便性及功能拓展性等基本要求。在功能上，需支持温湿度、空气质量（PM2.5、 CO₂ ）、光照强度等多参数检测；在硬件配置上，应选用低功耗、计算性能稳定的嵌入式主控芯片；在显示与交互方面，应实现本地LCD 数据显示、按键调节与状态提示功能；在通信层面，则需支持有线/无线数据输出，为后端数据处理与平台接入提供基础。

系统架构采用典型的“ 传感器采集—主控处理—显示输出” 三层结构模式。其中，STM32F103 作为主控制器，负责采集模块数据的接收、数据预处理与逻辑控制指令执行；外围配套传感器包括DHT11 温湿度传感器、GY-30 光照传感器、MQ135 空气质量传感器等，均通过 GPIO 或 I2C 接口与主控通信；数据显示通过1602 液晶屏完成，简洁直观，便于实时查看；数据存储与串口通信接口为后期数据上传与追溯分析提供基础与接口支撑。

二、核心硬件模块设计与技术实现

整个便携式监测系统的硬件由STM32 控制单元、环境参数传感器、电源管理模块、人机交互界面及外围扩展接口组成。主控部分选用STM32F103C8T6 芯片，其 Cortex-M3 内核具备 72MHz 主频、64KB 闪存与 20KB SRAM，支持多种外设资源，如 ADC、I2C、USART 等，满足多传感器并行接入与高频采样的控制需求。主控芯片通过开发板（如“ 最小系统板” ）搭建，便于后续焊接与嵌入式结构集成。

传感器模块方面，DHT11 用于获取当前环境的温湿度信息，具有响应快、稳定性好、通信简洁的特点；MQ135 可检测空气中有害气体浓度，输出模拟电压信号，通过 STM32 内置ADC 模块转换为数字量；GY-30 光照模块基于 BH1750 芯片，通过 I2C 协议输出光照强度值，具备高灵敏度与低误差的优势。供电方面，装置采用可充电锂电池与AMS1117 稳压模块联合供电，既可脱离电网运行，又可通过USB 接口进行维护和充电，确保设备运行的连续性和安全性。

显示与人机交互方面，采用1602 LCD 液晶屏通过并口方式连接主控，实现环境参数的实时刷新与菜单切换功能；配备简单按键电路用于功能设置、测量间隔选择等操作，进一步增强使用的灵活性。综合来看，整个硬件架构以紧凑性、低功耗、高集成为目标，保证了设备的便携性和可嵌入性。

三、系统软件架构与功能逻辑实现

本系统的软件设计基于Keil 平台开发，采用C 语言编程实现各功能模块驱动与逻辑控制。程序结构采用分层模块化思想，分为初始化配置、数据采集处理、显示输出控制、按键输入响应与通信交互五大功能区块，以增强程序结构的可维护性和可扩展性。

在系统初始化阶段，完成 STM32 时钟系统、GPIO 端口、中断优先级与串口通信的初始化配置。各传感器驱动模块在初始化后轮询获取数值并执行简单滤波算法，提升数据稳定性。温湿度数据、光照强度与空气质量经数据处理后进行统一格式化，并实时更新至LCD 显示模块。同时，系统设有异常判断机制，当传感器值超出设定阈值范围时，可通过蜂鸣器或LED提示用户注意环境异常变化。

串口通信模块采用 USART 协议进行配置，可通过串口调试助手接收设备采集数据，便于在PC 端实现后续的数据可视化与分析。按键控制部分采用状态机模式编写，支持用户进行参数设置、测量频率调节与采集数据清零等功能，提升设备交互能力。整个程序采用轮询 + 中断相结合的方式，兼顾任务调度灵活性与响应效率，适合在实际运行环境中长期稳定工作。

四、测试验证与应用前景评估

为验证系统的实用性与稳定性，在不同环境下对装置进行了连续采集实验。测试地点涵盖教室、实验室、绿地、地下车库等典型区域，检测内容包括环境温度、湿度、PM2.5 浓度与光照强度等。测试结果表明，设备各项参数读取稳定，数据刷新响应时间短（<1s），LCD 显示清晰无延迟，传感器响应灵敏度高，基本满足实际应用需求。系统在不同温湿度条件下运行稳定，锂电池支持连续运行超过10 小时，具备良好的移动性与续航性，适应多种野外或室内应用场景。

在环境治理、农业监测、科研实验、教学实践等多种场景下，该系统具备广泛的推广价值。例如在校园教学中，教师可引导学生使用该装置进行生态环境观察实验，培养数据采集与处理能力与工程素养；在农业大棚等微环境控制场景中，可搭载此类设备实现本地温光参数实时监控，从而指导种植调节；亦可与物联网平台对接，借助Wi-Fi 或LoRa 模块实现远程环境数据上报，构建更大规模的区域环境监测网络。系统的可扩展接口与开放式软件设计，使得后续增加气压、噪声、水质等其他模块也变得可行，为个性化环境感知系统搭建提供广阔空间与技术潜力。

五、结论

本文围绕实际需求，设计并实现了一套基于STM32 微控制器的便携式环境参数采集与监测装置，涵盖硬件结构搭建、传感器集成、软件逻辑实现与性能测试等环节。系统集成度高、功能实用、结构紧凑、操作简便，在教学实践与轻量级环境监测应用中具有良好前景。通过验证表明，该装置在多场景下具备稳定可靠的数据采集与处理能力，为后续环境监测智能化、移动化、低成本发展提供了有力支撑。未来研究可进一步优化装置外壳结构、提升传感器采集精度，拓展通信方式与远程平台对接能力，从而实现更加高效与智能的环境感知网络构建。

参考文献

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