基于STM32的室內環境遠程監測系統設計

傅良康　蘇威　吳文秀

摘? 要：隨著科學技術的發展，人們對國內家庭室內環境監測提出了更高的要求。根據人們對家庭室內生活環境和安全環境的共同需求，開發了一套基于STM32的智能家庭室內監控系統，可以讓用戶在檢測現場實時監控室內環境，也可以讓用戶通過遠程傳輸技術使用手機實時監測房屋的生活環境和安全環境，并在用戶沒有實時觀察的情況下發出危險警報，具體包括溫度監測、濕度監測、CO監測、可燃氣體監測。

關鍵詞：STM32? 室內監測? 遠程傳輸? 單片機

中圖分類號：X84? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2020）11（c）-0018-03

Design of Indoor Environment Remote Monitoring System Based on STM32

FU Liangkang? SU Wei? WU Wenxiu

（Yangtze University， Jingzhou， Hubei Province， 434023 China）

Abstract： With the development of science and technology， people have put forward higher requirements for domestic household indoor environment monitoring. According to the common needs of people for the indoor living environment and security environment of the family， a set of STM32-based intelligent home indoor monitoring system has been developed， which allows users to monitor the indoor environment in real time at the test site， or allows users to use mobile phones to monitor in real time through remote transmission technology. The living environment and safety environment of the house， and the danger alarm is issued when the user does not observe in real time， including temperature monitoring， humidity monitoring， CO monitoring， and combustible gas monitoring.

Key Words： STM32; Indoor monitoring; Remote transmission; Singlechip

隨著科技的日新月異，人們對家居環境的要求不僅局限在安全舒適性，更提出了智能化的需求，利用一部手機就可以對家居環境進行實時監控已經成為了高品質生活的象征[1]。家庭室內環境由兩個部分組成，分別為生活環境和安全環境。在該文中，基于Cortex-M3內核的微處理器STM32F103ZET6作為主控芯片，通過溫濕度傳感器、CO傳感器和可燃氣體傳感器檢測室內的溫度、濕度、CO和可燃氣體，將檢測到數據傳輸到STM32單片機中進行集中處理，再利用ESP8266網絡通信技術將各項數據通過服務器反饋到用戶手中，從而達到對家庭室內環境進行智能監測的目的。

1? 系統總體方案設計

該系統是由傳感器模塊檢測檢測室內環境，并將數據傳輸至STM32單片機，再將處理后的數據在LCD顯示屏顯示或由WiFi模塊將數據通過云服務器傳輸至手機。因此用戶僅需要一部手機或者在檢測現場，就能夠監測家庭室內環境的各項指標。檢測到的數據通過主控芯片和ESP8266芯片數據交互傳輸到服務器，再通過服務器反饋到手機APP上的。硬件電路設計包括電源電路設計、傳感器和LCD顯示屏與主控芯片連接電路等部分。系統流程圖具體見圖1。

2? 硬件系統設計

主控芯片在整個系統中承擔著最核心的任務，它負責整套智能家居環境監測系統內部所有數據的收發與執行，起到承上啟下的作用。當用戶通過手機查看實時監測數據時，它需要實現與移動終端的交互，將傳感器模塊傳輸過來的數據運算和處理，通過ESP8266WiFi通信技術讓用戶得到想要的結果。因此，選擇合適的主控芯片，可以保證整個系統的穩定和可靠。

考慮到實用性、經濟性和性能，以及未來可能擴展其他的功能，采用搭載Cortex-M3內核的STM32F103ZET6型單片機作為該次設計的主控制芯片。它是一種嵌入式微控制器集成電路，具有低功耗、低價格、高性能等優勢。在STM32F1系列中，STM32F103ZET6屬于通用型產品，其具有144個引腳，閃存容量為512 k，時鐘頻率為 72 MHz，可在-40℃～85℃的溫度環境中工作，滿足工業級水平要求。

AMS1117內部集成了限流電路，還有過熱保護功能，能夠選擇多種輸出電壓型號，是一款正向低壓降穩壓器[6]。由于ESP8266電路需要5 V的電源供電，而STM32F103RCT6需要3.3 V電源供電，可以先使用外部變壓器來獲得12 V直流電。然后通過MP2359的相關電路將電壓降至5 V，最后再利用AMS1117-3.3把電壓轉換為3.3 V，電路如圖2所示。

該系統針對生活環境選擇的是DHT11這一款通信方式為單總線通信的溫濕度傳感器模塊，相對于其他種類的傳感器模塊來說，DHT11具有功耗低、體積小、通信方式簡單的優點，其輸入輸出端只用到一個I/O接口，采用串行數據的傳輸方式進行數據的傳輸，在一定程度上方便開發者使用[3]。DHT11傳感器采用讀時序的原理，來測量當前室內環境中的溫度與濕度;安全環境采用MQ2和MQ7傳感器采用ADC原理讀取傳感器電壓來反映當前空氣中是否存在可燃氣體和CO有毒氣體。

蜂鳴器的型號為BELL-5，當可燃氣體傳感器或CO傳感器檢測到的可燃氣體濃度或CO濃度高于設定報警值時，控制芯片的PB8引腳高電平輸出，使蜂鳴器導通發出警報，當檢測到的值低于設定報警值時，控制芯片的PB8引腳輸出信號為低電平，使蜂鳴器截止，蜂鳴器停止警報。

TFLCD液晶顯示屏利用ILI9341控制器，采用STM32的FSMC功能，將傳感器采集信息如實反映至液晶屏上，實現人機友好交互。

使用ESP8266無線WiFi模塊來完成遠程通信的任務。ESP8266模塊內部集成了天線開關、電源管理轉換器等小型元器件，因此只需要極少的外部接線就可以工作，是一個完全獨立的WiFi網絡解決方案，由此可以降低PCB在包括前端模塊在內的整個解決方案在設計時占用的空間。實物圖具體見圖2。

3? 系統軟件設計

上位機開發和下位機開發是該系統軟件設計的重點。下位機是基于STM32通過MDK5軟件來進行開發的，所用的編程語言為C語言。

MQ2和MQ7傳感器采用ADC原理讀取傳感器電壓來反映當前空氣中是否存在可燃氣體和CO有毒氣體，MQ2傳感器的特性就相當于一個滑動變阻器，其電阻隨著氣體濃度的增大而減小，電導率是電阻的倒數，當其輸出的電阻越低，電導率就會隨之增大則輸出的模擬信號就越大。MQ7傳感器可以檢測室內環境的CO濃度，來輸出高低電平，通過控制芯片來控制蜂鳴器的警報。

采用這幾種傳感器的原因是，在使用傳感器時，涉及的引腳較少，可以在滿足功能實現的同時降低處理芯片的壓力，使得整體系統運行流暢，提高芯片的資源利用率[3]。

上位機軟件為方便用戶使用，設計的是一款手機APP，如有需要也容易拓展到PC端。該系統中，各個功能模塊全天候不間斷監控，并將所檢測的數據傳輸至單片機，通過單片機處理后，將處理后的數據通過ESP8266上傳至服務器，然后通過服務器反饋至手機，用戶只需要打開手機便可以實時監控各項數據。

4? 硬件電路實現和系統測試

為了保證硬件單路的安全性和可靠性，在整個系統設計完成之后，進行24 h不間斷測試。測試結果表示該系統可以正常工作，具備比較高的穩定性和可靠性。選取一天中同一時段的部分結果記錄統計，其結果具體見表1。

5? 結語

該系統是基于STM32設計的室內環境遠程監測系統，詳細介紹了該系統的硬件系統設計和軟件系統設計。可以讓用戶在遠程通過手機或在現場通過LCD顯示屏能夠實時監測室內的環境情況。該套系統成本低廉、操作簡單，而且穩定性也很高。為了更加方便人們的生活，該系統還可以繼續增加其他電子設備的接入，如空調、熱水器等，致力于打造智能化家居，切實提高人們的生活質量。

參考文獻

[1] 劉迪.智能家居室內空氣質量監測系統的研究與實現[D].安徽理工大學，2019.

[2] 曹振民，陳年生，馬強，等.基于ESP8266的無線控制電路設計[J].工業控制計算機，2017，30（1）：68-69.

[3] 徐軍，楊帆，樸金寧，等.室內環境參數遠程監測系統設計[J].電子技術應用，2018，44（2）：48-51.

[4] 郭聯金，虞曉瓊，王國勝，等.室內空氣質量監測系統的設計與實現[J].微型機與應用，2016，35（18）：99-102.

[5] 王鵬.室內有害氣體檢測控制系統的研究[D].河北聯合大學，2015.

[6] 余仁潤.室內環境質量檢測與報警系統[D].黑龍江：哈爾濱理工大學，2019.

[7] 陳紅，印春曉，韋金言，等.基于STM32的室內環境監測系統的設計與開發[J].電子技術與軟件工程，2019（9）：56-57.

作者簡介：傅良康（1994，5—），男，漢族，湖北荊州人，碩士研究生，研究方向為機電一體化。