【嵌入式 AI 实战第 9 期】环境感知（一）气体传感器阵列与数据采集（附完整 C 语言驱动）

一、前言在物联网与人工智能快速发展的今天环境感知能力已成为智能设备的核心功能之一。气体传感器作为环境感知的 嗅觉器官广泛应用于智能家居、工业安全、农业生产、医疗诊断等领域。传统的单一气体传感器只能检测特定类型的气体且对其他气体存在明显的交叉敏感性。例如MQ-2 传感器不仅对甲烷、丙烷等可燃气体敏感也会对酒精、烟雾产生响应这导致在复杂环境中无法准确区分气体种类。电子鼻技术通过模拟生物嗅觉系统采用多个具有不同选择性的气体传感器组成阵列结合模式识别算法能够实现对复杂气味的定性识别和定量分析。本期我们将从零开始搭建一个基于 STM32 的嵌入式电子鼻数据采集系统重点解决以下工程问题多传感器硬件驱动与数据同步采集MOS 传感器基线漂移与温湿度补偿气体响应特征的自动提取与保存标准化气体感知数据集的构建方法二、气体传感器工作原理与阵列设计2.1 金属氧化物半导体MOS传感器原理MQ 系列传感器是最常用的 MOS 气体传感器其核心是一个涂有金属氧化物半导体材料如 SnO₂、ZnO的加热丝。工作机制在高温200-400℃条件下半导体材料表面吸附空气中的氧气分子形成氧负离子O₂⁻、O⁻氧负离子捕获半导体中的自由电子导致材料电阻升高当还原性气体如甲烷、酒精出现时会与氧负离子发生氧化还原反应反应释放出电子使半导体材料的电阻降低通过测量传感器两端的电压变化即可推算出气体浓度响应特性响应时间传感器接触气体后电阻值达到稳态值的 90% 所需的时间恢复时间传感器脱离气体后电阻值恢复到基线值的 90% 所需的时间灵敏度传感器电阻变化率与气体浓度变化率的比值选择性传感器对目标气体的响应与对干扰气体的响应之比2.2 SGP30 多参数气体传感器SGP30 是一款集成了多个传感元件的数字式气体传感器能够同时检测 ** 总挥发性有机化合物TVOC和等效二氧化碳eCO₂** 浓度。与传统 MOS 传感器相比SGP30 具有以下优势内置温度补偿算法温湿度漂移小数字 I²C 接口无需额外的 ADC 转换低功耗设计适合电池供电设备长期稳定性好基线漂移小2.3 传感器阵列设计为了提高系统对不同气体的区分能力我们设计了包含 4 个传感器的阵列传感器型号检测气体类型接口类型供电电压MQ-2可燃气体、烟雾模拟5VMQ-3酒精、乙醇模拟5VSGP30TVOC、eCO₂I²C3.3VDHT22温度、湿度单总线3.3V-5V阵列排布原则传感器之间保持至少 10mm 的间距避免相互干扰加热型传感器MQ 系列与数字传感器SGP30、DHT22分开布置所有传感器的进气面朝向同一方向预留足够的散热空间防止局部温度过高三、硬件电路设计3.1 主控单元采用 STM32F103C8T6 作为主控芯片具有以下资源64KB Flash20KB SRAM2 个 12 位 ADC共 10 个通道2 个 I²C 接口3 个 USART 接口3 个 16 位定时器工作电压2.0V-3.6V3.2 MQ 传感器接口电路MQ 传感器的输出是模拟电压信号需要通过 ADC 转换为数字信号。电路设计如下传感器加热丝直接接 5V 电源传感器输出端通过 10kΩ 负载电阻接地输出电压通过分压电路可选调整到 3.3V 以内增加 0.1μF 滤波电容减少电源噪声干扰3.3 整体电路连接STM32F103C8T6引脚连接 PA0 - MQ-2模拟输出 PA1 - MQ-3模拟输出 PB6 - SGP30 SCL PB7 - SGP30 SDA PB10 - DHT22数据引脚 PA9 - USART1 TX (连接电脑串口) PA10 - USART1 RX 3.3V - SGP30 VCC, DHT22 VCC 5V - MQ-2 VCC, MQ-3 VCC GND - 所有传感器GND四、软件设计与 C 语言实现4.1 系统整体流程系统初始化GPIO、ADC、I²C、USART、定时器传感器预热MQ 传感器需要预热 2-3 分钟基线校准采集纯净空气下的传感器基线值数据采集定时读取所有传感器数据数据处理温湿度补偿、异常值过滤特征提取计算响应值、响应时间等特征数据输出通过串口发送格式化数据循环执行步骤 4-74.2 完整 C 语言例程#include stm32f10x.h #include stdio.h #include math.h // 传感器参数定义 #define MQ2_CHANNEL ADC_Channel_0 #define MQ3_CHANNEL ADC_Channel_1 #define SGP30_ADDR 0x58 #define DHT22_PIN GPIO_Pin_10 #define DHT22_PORT GPIOB // 全局变量 uint16_t adc_value[2]; float mq2_voltage, mq3_voltage; float mq2_resistance, mq3_resistance; float mq2_baseline, mq3_baseline; uint16_t tvoc, eco2; float temperature, humidity; uint32_t sample_count 0; uint8_t baseline_calibrated 0; // 串口重定向 int fputc(int ch, FILE *f) { USART_SendData(USART1, (uint8_t)ch); while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) RESET); return ch; } // 延时函数微秒级 void delay_us(uint32_t us) { uint32_t i; for(i0; ius*8; i); } // 延时函数毫秒级 void delay_ms(uint32_t ms) { uint32_t i; for(i0; ims; i) { delay_us(1000); } } // GPIO初始化 void GPIO_Init_Config(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE); // ADC引脚配置PA0, PA1 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode GPIO_Mode_AIN; GPIO_Init(GPIOA, GPIO_InitStructure); // DHT22引脚配置 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin DHT22_PIN; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode GPIO_Mode_Out_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(DHT22_PORT, GPIO_InitStructure); GPIO_SetBits(DHT22_PORT, DHT22_PIN); } // ADC初始化 void ADC_Init_Config(void) { ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE); ADC_InitStructure.ADC_Mode ADC_Mode_Independent; ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode ENABLE; ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode DISABLE; ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv ADC_ExternalTrigConv_None; ADC_InitStructure.ADC_DataAlign ADC_DataAlign_Right; ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel 2; ADC_Init(ADC1, ADC_InitStructure); ADC_Cmd(ADC1, ENABLE); // ADC校准 ADC_ResetCalibration(ADC1); while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1)); ADC_StartCalibration(ADC1); while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1)); } // 读取ADC值 uint16_t ADC_Read(uint8_t channel) { ADC_RegularChannelConfig(ADC1, channel, 1, ADC_SampleTime_239Cycles5); ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE); while(ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) RESET); return ADC_GetConversionValue(ADC1); } // I2C初始化 void I2C_Init_Config(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; I2C_InitTypeDef I2C_InitStructure; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE); RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_I2C1, ENABLE); // I2C引脚配置PB6:SCL, PB7:SDA GPIO_InitStructure.GPIO_Pin GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode GPIO_Mode_AF_OD; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOB, GPIO_InitStructure); I2C_InitStructure.I2C_Mode I2C_Mode_I2C; I2C_InitStructure.I2C_DutyCycle I2C_DutyCycle_2; I2C_InitStructure.I2C_OwnAddress1 0x00; I2C_InitStructure.I2C_Ack I2C_Ack_Enable; I2C_InitStructure.I2C_AcknowledgedAddress I2C_AcknowledgedAddress_7bit; I2C_InitStructure.I2C_ClockSpeed 100000; I2C_Init(I2C1, I2C_InitStructure); I2C_Cmd(I2C1, ENABLE); } // I2C写数据 void I2C_Write(uint8_t addr, uint8_t *data, uint8_t len) { while(I2C_GetFlagStatus(I2C1, I2C_FLAG_BUSY)); I2C_GenerateSTART(I2C1, ENABLE); while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT)); I2C_Send7bitAddress(I2C1, addr1, I2C_Direction_Transmitter); while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED)); for(uint8_t i0; ilen; i) { I2C_SendData(I2C1, data[i]); while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED)); } I2C_GenerateSTOP(I2C1, ENABLE); } // I2C读数据 void I2C_Read(uint8_t addr, uint8_t *data, uint8_t len) { while(I2C_GetFlagStatus(I2C1, I2C_FLAG_BUSY)); I2C_GenerateSTART(I2C1, ENABLE); while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT)); I2C_Send7bitAddress(I2C1, addr1, I2C_Direction_Receiver); while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_RECEIVER_MODE_SELECTED)); for(uint8_t i0; ilen; i) { if(i len-1) { I2C_AcknowledgeConfig(I2C1, DISABLE); } while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_RECEIVED)); data[i] I2C_ReceiveData(I2C1); } I2C_GenerateSTOP(I2C1, ENABLE); I2C_AcknowledgeConfig(I2C1, ENABLE); } // SGP30初始化 void SGP30_Init(void) { uint8_t init_cmd[] {0x20, 0x03}; I2C_Write(SGP30_ADDR, init_cmd, 2); delay_ms(10); } // 读取SGP30数据 void SGP30_Read(void) { uint8_t read_cmd[] {0x20, 0x08}; uint8_t data[6]; I2C_Write(SGP30_ADDR, read_cmd, 2); delay_ms(12); I2C_Read(SGP30_ADDR, data, 6); eco2 (data[0] 8) | data[1]; tvoc (data[3] 8) | data[4]; } // DHT22读取数据 uint8_t DHT22_Read(void) { uint8_t data[5] {0}; uint8_t i, j; // 主机发送起始信号 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; GPIO_InitStructure.GPIO_Pin DHT22_PIN; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode GPIO_Mode_Out_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(DHT22_PORT, GPIO_InitStructure); GPIO_ResetBits(DHT22_PORT, DHT22_PIN); delay_ms(18); GPIO_SetBits(DHT22_PORT, DHT22_PIN); delay_us(30); // 切换为输入模式 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode GPIO_Mode_IPU; GPIO_Init(DHT22_PORT, GPIO_InitStructure); // 等待DHT22响应 if(GPIO_ReadInputDataBit(DHT22_PORT, DHT22_PIN) 1) return 1; delay_us(80); if(GPIO_ReadInputDataBit(DHT22_PORT, DHT22_PIN) 0) return 1; delay_us(80); // 读取40位数据 for(i0; i5; i) { for(j0; j8; j) { while(GPIO_ReadInputDataBit(DHT22_PORT, DHT22_PIN) 0); delay_us(40); data[i] 1; if(GPIO_ReadInputDataBit(DHT22_PORT, DHT22_PIN) 1) { data[i] | 1; while(GPIO_ReadInputDataBit(DHT22_PORT, DHT22_PIN) 1); } } } // 校验数据 if(data[4] ! (data[0] data[1] data[2] data[3])) return 1; // 解析温湿度 humidity ((data[0] 8) | data[1]) / 10.0; temperature ((data[2] 8) | data[3]) / 10.0; return 0; } // USART初始化 void USART_Init_Config(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; USART_InitTypeDef USART_InitStructure; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE); // USART1 TX引脚配置PA9 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin GPIO_Pin_9; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode GPIO_Mode_AF_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA, GPIO_InitStructure); // USART1 RX引脚配置PA10 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin GPIO_Pin_10; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode GPIO_Mode_IN_FLOATING; GPIO_Init(GPIOA, GPIO_InitStructure); USART_InitStructure.USART_BaudRate 115200; USART_InitStructure.USART_WordLength USART_WordLength_8b; USART_InitStructure.USART_StopBits USART_StopBits_1; USART_InitStructure.USART_Parity USART_Parity_No; USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl USART_HardwareFlowControl_None; USART_InitStructure.USART_Mode USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx; USART_Init(USART1, USART_InitStructure); USART_Cmd(USART1, ENABLE); } // 基线校准函数 void Baseline_Calibration(void) { printf(正在进行基线校准请确保传感器处于纯净空气中...\r\n); float mq2_sum 0, mq3_sum 0; for(uint16_t i0; i100; i) { adc_value[0] ADC_Read(MQ2_CHANNEL); adc_value[1] ADC_Read(MQ3_CHANNEL); mq2_voltage adc_value[0] * 3.3 / 4095.0; mq3_voltage adc_value[1] * 3.3 / 4095.0; // 计算传感器电阻负载电阻RL10kΩ mq2_resistance (3.3 - mq2_voltage) * 10.0 / mq2_voltage; mq3_resistance (3.3 - mq3_voltage) * 10.0 / mq3_voltage; mq2_sum mq2_resistance; mq3_sum mq3_resistance; delay_ms(100); } mq2_baseline mq2_sum / 100.0; mq3_baseline mq3_sum / 100.0; baseline_calibrated 1; printf(基线校准完成\r\n); printf(MQ-2基线电阻: %.2f kΩ\r\n, mq2_baseline); printf(MQ-3基线电阻: %.2f kΩ\r\n, mq3_baseline); printf(----------------------------------------\r\n); } // 温湿度补偿函数 void Temperature_Humidity_Compensation(void) { // 简单的线性补偿模型可根据实际情况调整参数 float temp_factor 1.0 0.002 * (temperature - 25.0); float hum_factor 1.0 0.001 * (humidity - 50.0); mq2_resistance * temp_factor * hum_factor; mq3_resistance * temp_factor * hum_factor; } // 主函数 int main(void) { SystemInit(); GPIO_Init_Config(); ADC_Init_Config(); I2C_Init_Config(); USART_Init_Config(); printf(\r\n); printf(\r\n); printf( 嵌入式电子鼻数据采集系统 - 第9期\r\n); printf( 作者嵌入式AI实战专栏\r\n); printf( 版本V1.0\r\n); printf(\r\n); printf(\r\n); // 传感器预热 printf(传感器预热中请等待3分钟...\r\n); for(uint16_t i0; i180; i) { printf(预热进度: %d%%\r, (i1)*100/180); delay_ms(1000); } printf(\r\n预热完成\r\n); // 初始化SGP30 SGP30_Init(); printf(SGP30初始化完成\r\n); // 基线校准 Baseline_Calibration(); while(1) { // 读取ADC数据 adc_value[0] ADC_Read(MQ2_CHANNEL); adc_value[1] ADC_Read(MQ3_CHANNEL); // 计算电压和电阻 mq2_voltage adc_value[0] * 3.3 / 4095.0; mq3_voltage adc_value[1] * 3.3 / 4095.0; mq2_resistance (3.3 - mq2_voltage) * 10.0 / mq2_voltage; mq3_resistance (3.3 - mq3_voltage) * 10.0 / mq3_voltage; // 读取SGP30数据 SGP30_Read(); // 读取DHT22数据 if(DHT22_Read() 0) { // 温湿度补偿 Temperature_Humidity_Compensation(); } // 计算响应值相对于基线 float mq2_response mq2_baseline / mq2_resistance; float mq3_response mq3_baseline / mq3_resistance; // 输出数据CSV格式方便导入Excel或Python处理 printf(%lu,%.2f,%.2f,%.2f,%.2f,%d,%d,%.1f,%.1f\r\n, sample_count, mq2_voltage, mq2_resistance, mq2_response, mq3_voltage, mq3_resistance, mq3_response, tvoc, eco2, temperature, humidity); delay_ms(1000); // 每秒采集一次数据 } }五、数据采集与预处理5.1 数据采集流程环境准备在通风良好的房间内进行确保初始环境为纯净空气传感器预热MQ 传感器必须充分预热否则基线不稳定基线校准采集 30 秒纯净空气数据计算平均基线值样本采集纯净空气样本采集 1 分钟数据酒精样本将酒精棉球靠近传感器采集 1 分钟响应数据天然气样本将天然气管道轻微泄漏采集 1 分钟响应数据腐败食物样本将变质的食物靠近传感器采集 1 分钟响应数据数据保存通过串口助手将数据保存为 CSV 文件5.2 数据格式说明串口输出的数据为 CSV 格式包含以下字段样本编号, MQ-2电压(V), MQ-2电阻(kΩ), MQ-2响应值, MQ-3电压(V), MQ-3电阻(kΩ), MQ-3响应值, TVOC(ppb), eCO₂(ppm), 温度(℃), 湿度(%)5.3 数据预处理采集到的原始数据需要进行预处理才能用于模型训练异常值剔除使用 3σ 原则去除明显异常的数据点滑动平均滤波对时序数据进行平滑处理减少噪声归一化处理将不同传感器的数据映射到 [0,1] 区间特征提取提取每个样本的最大值、最小值、平均值、响应时间、恢复时间等特征时序标注为每个样本添加对应的气体类别标签六、常见问题与解决方案6.1 MQ 传感器基线漂移严重原因传感器预热时间不足环境温湿度变化大传感器长期使用后老化解决方案延长预热时间至 5 分钟以上实现自动基线校准功能每天定时校准加入温湿度补偿算法定期更换老化的传感器6.2 数据波动大原因电源噪声干扰传感器加热丝温度不稳定环境气流变化解决方案在电源输入端增加滤波电容使用稳压电源为传感器供电设计防风罩减少气流影响采用滑动平均滤波算法6.3 SGP30 读数不准确原因传感器未进行初始校准长时间在高浓度气体环境中使用I²C 通信不稳定解决方案首次使用前在纯净空气中运行 12 小时进行初始校准定期保存和恢复基线值检查 I²C 接线增加上拉电阻七、本期总结与下期预告本期我们从零开始搭建了一个基于 STM32 的 4 通道气体传感器阵列数据采集系统深入讲解了 MOS 气体传感器的工作原理、硬件电路设计、软件驱动实现以及数据预处理方法。通过实际采集多种气体样本我们构建了一个多维度的气体感知数据集为后续的智能识别模型训练奠定了基础。下期专题第 10 期《环境感知气味分类模型与低功耗监测部署》下期我们将利用本期采集的传感器数据训练基于机器学习的多分类识别模型实现对水果气味、可燃气体、污染空气的智能判别。然后将训练好的模型部署到 ESP32 开发板上实现超低功耗长时间环境监测并通过 WiFi 将数据上传到云平台。