【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：

1. 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⁻）
2. 氧负离子捕获半导体中的自由电子，导致材料电阻升高
3. 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
4. 反应释放出电子，使半导体材料的电阻降低
5. 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：

阵列排布原则：

1. 传感器之间保持至少 10mm 的间距，避免相互干扰
2. 加热型传感器（MQ 系列）与数字传感器（SGP30、DHT22）分开布置
3. 所有传感器的进气面朝向同一方向
4. 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 Flash，20KB SRAM
• 2 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-3.6V

3.2 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

1. 系统初始化：GPIO、ADC、I²C、USART、定时器
2. 传感器预热：MQ 传感器需要预热 2-3 分钟
3. 基线校准：采集纯净空气下的传感器基线值
4. 数据采集：定时读取所有传感器数据
5. 数据处理：温湿度补偿、异常值过滤
6. 特征提取：计算响应值、响应时间等特征
7. 数据输出：通过串口发送格式化数据
8. 循环执行步骤 4-7

4.2 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(i=0; i<us*8; i++); } // 延时函数（毫秒级） void delay_ms(uint32_t ms) { uint32_t i; for(i=0; i<ms; 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, addr<<1, I2C_Direction_Transmitter); while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED)); for(uint8_t i=0; i<len; 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, addr<<1, I2C_Direction_Receiver); while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_RECEIVER_MODE_SELECTED)); for(uint8_t i=0; i<len; 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(i=0; i<5; i++) { for(j=0; j<8; 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 i=0; i<100; 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RL=10kΩ） 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 i=0; i<180; i++) { printf("预热进度: %d%%\r", (i+1)*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

1. 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
2. 传感器预热：MQ 传感器必须充分预热，否则基线不稳定
3. 基线校准：采集 30 秒纯净空气数据，计算平均基线值
4. 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
5. 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：

1. 异常值剔除：使用 3σ 原则去除明显异常的数据点
2. 滑动平均滤波：对时序数据进行平滑处理，减少噪声
3. 归一化处理：将不同传感器的数据映射到 [0,1] 区间
4. 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
5. 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。