基于STM32的家庭環境監測系統的設計與制作

黃雋

摘要：本文基于STM32單片機設計出一種家庭環境實時監測系統，可以遠程監測環境數據。將傳感器采集的PM2.5值、甲醛濃度、室內溫度、光照強度，通過STM32的處理后，在OLED液晶屏上顯示。并且可以將數據通過WiFi傳輸到智能云平臺，通過手機APP對空氣質量進行實時監測。本系統具有一定的市場應用前景。

關鍵詞：環境監測；STM32；設；制作

中圖分類號：TU855 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）03-0188-02

1 引言

隨著社會的日益發展，人們的生活水平得到了極大的提高。但是環境污染問題也越來越嚴重，城市霧霾、裝修建材中的甲醛時時刻刻的威脅著人類的健康，人們越來越關注自己所居住的環境。市場上普通的空氣檢測工具大多功能單一，有些產品只能夠檢測霧霾或者只能夠檢測甲醛。有些產品兼具了多種檢測功能，但是沒有實現遠程監測，使用者必須持有設備到現場才能夠檢測出空氣質量，這樣不方便使用者實時監測空氣的質量。針對以上問題，本文設計了一個可以遠程實時監控的系統，該系統可以用手機APP實時遠程監測家庭環境中的PM2.5、甲醛、溫濕度、光照強度，使用戶針對相應的環境問題做出對應的處理，從而提高生活質量保證身體健康。

2 系統結構

本系統主要由以下幾個模塊組成：

2.1 主控模塊

主控芯片為STM32F103C8T6。該芯片的具有ARM 32-bit Cortex-M3 CPU，片上128k flash、20kRAM、12-bit精度的，片內ADC轉換器，以及I2C接口等。

2.2 傳感器模塊

夏普粉塵傳感器GP2Y1010AU0F采集PM2.5值，分辨率：19，精 度：±10% F.S，測量范圍：0～999ug/m3測量方式：自動非接觸。

（1）DHT11數字溫濕度傳感器采集室內溫濕度；（2）相對濕度分辨率：1；（3）溫度分辨率：1；（4）濕度精度：25℃±5%RH；溫度精度：25℃±2℃；（5）濕度測量范圍：25%～90%RH；（6）溫度測量范圍：-20～55℃；（7）測量方式：自動非接觸；（8）ms1100甲醛傳感器檢測甲醛；（9）數字分辨率：1ppm；量程：0～75ppm3；（10）精度：±5%F.S；（11）測量方式：自動非接觸；（12）BH1750光照傳感器測量光照強度；（13）分辨率：1Lx；（14）精度：+/-20% Lx；（15）測量范圍：1～65535 Lx；（16）測量方式：自動非接觸。

2.3 uart-wifi模塊

ESP8266進行串口通信建立聯網和數據傳輸。ESP8266是現在成本較低的WI-FI連接方案之一，考慮到用AT指令進行的聯網和數據交換的任務，用于產品響應時間很讓人擔憂，所以本次設計我們利用機智云開放平臺提供的機智云固件刷入ESP8266的片內，并通過ESP8266的片內編程解決響應時間及IO資源的問題。

2.4 云端和APP模塊

將接收到的數據上傳到機智云提供的云平臺，并利用機智云平臺的SDK開發APP。

整個系統的框架如圖1所示。

3 軟件設計

整個軟件系統采用模塊化程序設計，主要包括：系統時鐘初始化、各傳感器模塊初始化、通用I/O中斷、定時器、I2C、時鐘、AD轉換器。按鍵按下時，先判斷是不是啟動Wi-Fi聯網配對，如果設備不連接網絡該系統的各個傳感器也會自動將采集到的數據轉換成數字信號。主控CPU采集的數字信號經過運算后，在液晶屏顯示出采集溫濕度值、光照強度、甲醛含量、PM2.5濃度，其中為了保證數據的實時性和精確性，各模塊數據采樣時間間隔為14個時鐘周期，轉換精度為12bit。同時也發送數據到機智云的云服務器中。在移動端使用機智云平臺提供的SDK制作一個接收數據的APP，能夠從其云服務器上獲取實時環境數據，從而達到遠程監測數據的目的。其程序流程如圖2所示。

4 系統實現及測試

4.1 系統核心板的的實現

根據需求做好電路設計并制做PCB，焊接上元器件，最終核心板成品如圖3所示。

4.2 功能測試

檢查電路有無異常，先在斷電情況下，用萬用表測試電路，發現并無異常情圖5 云平臺接收的數據況。燒入程序上電后，查看數據顯示有無異常情況，經測試各項數據均能夠正確顯示。效果如圖4所示。

最后檢查機智云平臺有無數據，APP能否實時監測數據，經測試發現本系統能夠實時查看環境的數據。效果如圖5所示。

5 結語

通過對測試結果的分析，本系統可以監測家庭環境中的PM2.5、甲醛、溫濕度、光照強度，通過網絡可以將收集到的數據傳輸到機智云云端，并且利用APP實現對環境質量的實時監測等功能。本系統吸收現有的產品優點，同時進行一些改進，具有以下幾個特征：

（1）電路簡單、系統整體功耗低、發熱量低、可以穩定連續運行；

（2）使用新型、主頻高的控制芯片，能在芯片上實現數據處理

（3）智能設備與互聯網相結合，通過網絡將數據傳輸到機智云云端，將采集的數據儲存到機智云的云平臺，并對數據進行統計分析和記錄設備運行狀態。

（4）利用機智云開放平臺，開發者根據相關SDK進行開發即可實現設備的聯網能力，縮短了產品的開發周期。

參考文獻

[1]劉火良.楊森.STM32庫開發實踐指南.北京：機械工業出版社，2016.4.

[2]盧有亮.基于STM32的嵌入式系統原理與設計.北京：機械工業出版社，2014.1.

[3]鄭亮，鄭士海.嵌入式系統開發與實踐.北京：北京航空航天大學出版社，2015.4.

[4]劉軍.例說STM32.北京：北京航空航天大學出版社，2014.6.

[5]嚴海蓉.嵌入式微處理器原理與應用.北京：清華大學出版社，2014.12.

[6]武奇生.基于ARM的單片機應用及實踐.北京：機械工業出版社，2014.6.