基于STM32的室內環境監測系統的設計與開發

文/陳紅 印春曉 韋金言 王文策 李瑋

1 引言

隨著社會經濟和科技的飛速發展，人們對美好生活高質量的追求，對居住環境的要求也不斷提高，對環境各類數據測量值（如PM2.5、噪聲、溫濕度）都十分注重；同時在農業種植方面，蔬菜大棚的日益增多，如何控制棚內環境參數也是目前農業科技發展中必不可少的環節，了解了環境的光照，溫度、濕度才能更好地改善種植環境，提高產品質量與產量。本文提供的室內環境監測系統既可以用在居家環境又可以用在蔬菜大棚，同時通過手機APP或者網頁遠程監控室內環境變化。

2 系統總體設計

本系統采用多種傳感器，包括溫濕度傳感器、噪聲傳感器、光照傳感器、PM2.5傳感器，監測到的信號變化通過STM32單片機進行模數計算，將結果顯示在OLΕD屏幕上，便于觀察，同時采用無線模塊ΕSP8266將采集到的數據，通過互聯網傳輸至阿里云端的數據庫。同時采用配套開發的手機APP客戶端進行遠程監測，在電腦端用網頁進行查看。因此對于本系統而言主要硬件電路設計與軟件編程設計兩個部分。

3 硬件電路設計

圖1：系統組成

圖2：單片機核心控制電路

圖3：無線傳輸模塊

硬件電路主要有STM32單片機核心控制模塊、電源轉換電路、放大電路、OLΕD顯示電路、無線傳輸電路、以及多傳感器采集電路組成。通過電源轉換電路將5V電壓轉換成STM32的供電電壓3.3V，保證正常的額定電壓。STM32單片機采集各傳感器發送來的信號，通過模數轉換，轉換成數字信號，顯示在OLΕD顯示屏中。同時通過無線模塊ΕSP8266將數據傳送至阿里云端的服務器，并將數據存放在云端數據庫。手機客戶端和網頁端都可以從阿里云服務器端獲取數據，進行實施顯示和更新，做到遠程訪問。

3.1 STM32核心控制電路

核心控制板采用的單片機為STM32F103C8T6。STM32F103單片機使用了ARM公司的Cortex-M3內核與一些常用工業協議的硬件電路、使用哈佛數據結構、RISC指令集。有著遠超普通單片機的大容量可在線擦寫的FLASH以及豐富的片上外設,。STM32采用了3級流水線的取指令方式與函數跳轉預測方式，加速了代碼執行的效率并且縮短了函數間所浪費的時間。核心控制電路如圖2所示。

圖4：電源電路

圖5：傳感器電路

圖6：主程序流程圖

3.2 無線傳輸模塊

在該系統中采用ΕSP6266無線傳輸模塊進行數據傳輸，該模塊性能穩定，適用于各種傳輸環境，并且集成度比較高，比如一些功率放大、濾波電路、天線開關等模塊和外部接口都有所集成，因此只要很少的外圍電路就可以實現本身的功能。如圖3所示。

3.3 電源電路

采用輸出電壓為3.3V的ASM1117芯片進行穩壓，它是一種高效線性用于交換式電源5V至3.3V。STM32單片機的工作電壓為3.3V，而電路中其他的元器件需要5V供電，所以在這里用到穩壓器件，保證電路的正常工作。如圖4所示。

3.4 傳感器電路

本系統中使用的傳感器較多，噪聲傳感器、溫濕度傳感器、光照傳感器、以及PM2.5粉塵傳感器。主要用來檢測當前環境的聲唄、照度、溫度、濕度、以及PM2.5值。如圖5所示。

4 軟件設計

根據以上硬件電路設計，針對每一個硬件進行軟件編程，軟件設計部分主要有幾大塊組成，初始化模塊、傳感器讀取模塊、顯示模塊、無線模塊等。初始化模塊主要負責初始化單片機內部的外設。傳感器讀取模塊主要是負責讀取傳感器內部的數據，顯示開關模塊主要是負責將傳感器中讀取到的數據在OLΕD中顯示。無線模塊將單片機采集到的數據傳輸至網絡端的數據庫。如圖6所示。

5 結論

本系統經過總體的電路設計和軟件編程，采用AD軟件進行硬件設計，同時采用keil軟件進行編程，并制作了實物，通過調試，能夠對室內的環境數據進行采集并顯示，實現對光照度、噪聲、PM2.5、溫度、濕度的遠程實時監控，改善了現場監測時間空間的局限性。本系統適用于家庭居住環境和蔬菜大棚環境，有較好的實用性、經濟性。