基于STM32的周邊環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄒煒燕 孫齊 紀(jì)曉峰 林焱杰

摘要：隨著科技不斷的進(jìn)步和社會(huì)快速的發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注自己的身體健康狀況，普通家庭也開(kāi)始對(duì)睡眠環(huán)境監(jiān)測(cè)產(chǎn)品感興趣。本文設(shè)計(jì)基于STM32的睡眠環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)睡眠環(huán)境的溫濕度、空氣質(zhì)量、光強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，主要包括硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等。

1.前言

環(huán)境在線監(jiān)測(cè)市場(chǎng)上常見(jiàn)多為室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備。大致分為兩大類，第一類是獨(dú)立工作，功能單一的檢測(cè)設(shè)備，如溫度計(jì)、煙霧報(bào)警器等，檢測(cè)范圍較小，使用較為局限，一般只用在對(duì)某一種環(huán)境參數(shù)比較敏感的場(chǎng)合，如小型倉(cāng)庫(kù)等第二類為可以組網(wǎng)工作的環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備，這類設(shè)備一般通過(guò)布線將檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)到的數(shù)據(jù)匯集到主機(jī)設(shè)備中，相較于第一類設(shè)備，第二類設(shè)備可以連接多個(gè)傳感器，檢測(cè)范圍更大，但是這類設(shè)備一般檢測(cè)的環(huán)境參數(shù)也較少，同時(shí)安裝時(shí)需要大范圍布線，增加了產(chǎn)材料品成本和安裝成本，提高了安裝難度，并且，大量布線影響美觀，局限性較大。目前，對(duì)于專用于睡眠且與床墊集成的環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備未有報(bào)道。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

環(huán)境監(jiān)測(cè)部分主要實(shí)現(xiàn)睡眠環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。主要由 STM32 核心處理模塊、溫濕度檢測(cè)模塊、空氣質(zhì)量檢測(cè)模塊、光強(qiáng)度檢測(cè)模塊等組成。整體組成框圖見(jiàn)圖 1所示。

A.STM32 核心處理模塊

STM32 核心處理模塊是室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)裝置的控制核心，用于對(duì)外圍輸入電路進(jìn)行識(shí)別以及對(duì)輸出電路進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析處理。該模塊以 STM32F103RCT6 單片機(jī)為核心，如圖 13 所示為該部分的硬件設(shè)計(jì)的電路原理圖。該單片機(jī)系統(tǒng)包括 STM32F103RCT6 單片機(jī)、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路 1、時(shí)鐘電路 2 以及供電電路。單片機(jī)共有 51 個(gè) GPIO 引腳，全部通過(guò)排針引出，方便各個(gè)外接傳感器模塊的連接。

B.溫濕度檢測(cè)模塊

溫濕度檢測(cè)模塊的核心傳感器是 DHT11。該傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC 測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8 位單片機(jī)相連接，采用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫、濕度傳感技術(shù)，以確保產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)采用STM32 的PA6 與BH170 的pin4 連接用于傳輸命令與數(shù)據(jù)，STM32 的PA7 和BH170 的pin6 引腳連接用于時(shí)鐘同步。因?yàn)?DHT11 與 STM32 核心處理模塊是單總線的傳輸方式，所以其端口 DOUT 是數(shù)據(jù)的傳輸總線，將 STM32 核心處理模塊的 GPIO 口與此端口通過(guò)杜邦線連接，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。溫濕度檢測(cè)模塊電路原理圖如圖2所示。

C.空氣質(zhì)量檢測(cè)模塊

該模塊采用MP-135 作為空氣質(zhì)量傳感器。當(dāng)該傳感器所處環(huán)境中存在污染氣體時(shí)，氣敏電阻的阻值隨空氣中污染氣體濃度的升高而減小。設(shè)計(jì)將MP-135 的輸出信號(hào)通過(guò)兩個(gè)10 kΩ 的電阻分壓后與STM32 的PA4 口連接，以將氣體濃度變化產(chǎn)生的模擬量輸入STM32 中。設(shè)計(jì)采用STM32 的PB10與DHT11 的pin2 引腳連接用于數(shù)據(jù)的通信與同步。

D.光強(qiáng)度檢測(cè)模塊

光強(qiáng)度檢測(cè)模塊主要是由光敏二極管及其輔助電路組成，根據(jù)此二極管的光電特性來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)睡眠環(huán)境中光強(qiáng)度的實(shí)時(shí)檢測(cè)。模擬的輸出端口A0輸出的電壓值與環(huán)境中的光照強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)，數(shù)字的輸出端口D0輸出“1”表示環(huán)境黑暗，輸出“0”則表示環(huán)境明亮。該模塊的四根線 VDD、GND、A0、D0 分別與 STM32 核心處理模塊對(duì)應(yīng)的 GPIO 引腳用杜邦線連接起來(lái)。

3. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

睡眠環(huán)境信息主要是由 STM32 核心處理模塊對(duì)各環(huán)境參數(shù)采集模塊的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)睡眠環(huán)境中溫濕度、光線強(qiáng)度、聲音及空氣的實(shí)時(shí)采集并傳輸?shù)绞謾C(jī)上。各環(huán)境參數(shù)模塊采集到的環(huán)境信息多為模擬量，需要通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部ADC1 的多個(gè)通道將這些模擬量轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可以處理的數(shù)字量。具體軟件程序流程如下圖所示。

3.結(jié)束語(yǔ)

基于STM32的睡眠環(huán)境在監(jiān)測(cè)的過(guò)程中逐漸累積了大量的、有利用價(jià)值的睡眠信號(hào)歷史數(shù)據(jù)，并將睡眠狀態(tài)監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行集中存儲(chǔ)與管理，多生理信息，對(duì)用戶的睡眠環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，并基于此改變睡眠環(huán)境至理想狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 謝靜， 蔣秀林， 朱文婕. 基于物聯(lián)網(wǎng)的家居睡眠環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 宿州學(xué)院學(xué)報(bào)， 2018， 33（9）： 111-114.

[2] 金巍， 池敏越， 陳業(yè)藝. 睡眠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及與之聯(lián)動(dòng)的環(huán)境家電用于提升睡眠質(zhì)量的應(yīng)用展望[J]. 世界睡眠醫(yī)學(xué)雜志， 2017 （4）： 218-223.

作者：鄒煒燕 衢州學(xué)院2019級(jí)自動(dòng)化本科學(xué)生;資助項(xiàng)目：國(guó)家大學(xué)生科技項(xiàng)目“基于STM32的智能避障小車設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”資助