智慧家居中多傳感器融合的室內環境監測系統優化設計

摘要：為探究智慧家居中多傳感器融合的室內環境監測系統設計方法以及提升系統的監測效能和運行穩定性、可靠性等，本文從智慧家居及其室內環境監測需求分析出發，從SMT32芯片特點、系統總體方案設計、功能定義、系統架構設計、軟硬件設計以及系統調試等方面，梳理了智慧家居中多傳感器融合的室內環境監測系統優化設計路徑與方法；并從系統效能優化以及硬件優化等方面總結了其優化設計策略。

關鍵詞：智慧家居；多傳感器融合；室內環境監測系統；優化設計

中圖分類號：TB文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2025.15.081

0引言

隨著物聯網、大數據等數字化與信息化技術的快速發展與全面應用，以及消費者對智能家居應用越來越高的體驗要求，多傳感器融合的室內環境監測系統，在保證和提升智慧家居感知與管控效能方面發揮越來越重要的作用。智慧家居中多傳感器融合的室內環境監測系統的優化與設計，需要基于環境監測需求選配適宜的軟硬件系統設備進行組網與調試。

1智慧家居及其室內環境監測需求分析

智慧家居利用現代傳感器技術、組網通信技術、計算機數據分析與挖掘技術等構建家居物聯網，組建家居管控平臺系統，為家居生活提供舒適、多樣、安全、便捷、環保、節能、更健康、智能化調控的家居環境以及家居管理系統。其對室內環境的監測直接關系智慧家居系統對家居環境條件的感知能力以及環境條件布設與調控的精準性和及時性，在智慧家居中發揮著重要作用。

在監測要素層面，由于家居環境空氣質量受到室外大氣環境條件、家居裝修條件、天然氣使用情況、房屋封閉狀態、生活揚塵，以及可能的火災隱患等多重因素影響，對空氣成分及其含量的有效監測，對家居空氣調節、防范燃氣、火災等安全風險方面具有重要意義；而恒定的室內溫濕度，是保證家居健康以及高質量生活體驗的重要因素，需要對于室內溫濕度有較為精準和覆蓋家居多區域的感知能力；同時，由于家居環境每日天光受到日照環境影響，對日照和室內光線的感知是家居生活照明調控以及溫度控制的重要指標，其光照感知能力關乎室內光照氛圍的營造，并與室內溫度變化有著密切的關聯，也需要有效監測與感知。

在監測技術層面，智慧家居中室內環境的監測主要包含了室內溫濕度、VOC、PM2.5等環境參數，監測方法先后經歷了人工現場監測、在線監測、基于ZigBee和GPRS等局域網的監測方式，以及通過智能硬件終端監測環境參數與采集數據，并通過Wi-Fi模塊傳輸至云平臺，并利用微信小程序進行查詢管控的新模式等[1]。

2智慧家居中多傳感器融合的室內環境監測系統優化設計

2.1SMT32主控芯片

STM32主控芯片以ARMCortex-M為內核，可以提供不同的性能和功能選擇，支持Thumb-2指令集，具有低功耗、高性能、高效代碼密度、高安全性等特點；其產品線和生態系統豐富，集成了輸入輸出引腳、數模轉換器、多種通信接口以及定時器、DMA、RTC、LCD控制器、音頻接口、觸摸傳感器等多類外設和接口；且生產技術工藝成熟。

在智慧家居多傳感器融合的室內環境監測系統設計上，常基于STM32主控芯片構建監測軟硬件系統。以STM32為核心，集成各類傳感器模塊，構建各類室內環境監測系統。通過對室內溫濕度、光照條件、空氣質量、某類氣體及其含量或濃度等的實時精準感知與監測，為智慧家居環境監測以及預警和決策控制提供支持。相關研究數據表明，其基于SMT32的環境監測系統中，其監測精度，溫度可達到0.1℃，濕度可到2%RH，光照強度在0—1000Lux之間，PM2.5濃度變化在0—500ug/m之間，具有較高的環境參數監測準確性和穩定性。

2.2系統總體方案設計與功能定義

基于智慧家居對環境溫濕度、空氣質量以及光照等因素的監測需要，需要融合多種傳感器進行系統構建，并實現系統的自動控制、無線數據傳輸、云服務、Android應用等功能。在功能定義上主要包括以下內容：

（1）采集和監測室內的溫濕度數據；

（2）采集和監測室內的空氣質量數據；

（3）采集和監測室內的煙霧數據；

（4）超過設定閾值自動警示；

（5）在系統LCD屏顯示各項數據；

（6）利用手機APP實時監測室內環境；

2.3系統總體方案設計

在技術層面，基于STM32芯片在多傳感器融合上的優勢，需要以STM32微處理器芯片為核心，集成多類傳感器技術，并采用嵌入式系統方式和相應的數據處理算法等構建室內環境監測系統，以實現對室內空氣質量的實時監測、分析以及預警等功能。

在感知層面，需要基于環境監測需要，在室內環境布設一定數量和種類的光線、溫濕度、空氣質量等方面的傳感器模塊；在通信層面，需要采用Wi-Fi模塊和云端服務器等一定的通信技術模塊進行數據傳輸；在信息數據處理方面，主要采用云端服務器進行數據的存儲和分析；在應用層面，主要通過手機APP與服務器進行后臺進行連接，以及實現監測查詢和手動控制等功能。

2.4系統架構設計

室內環境監測系統中，需要采集模塊能夠實現對室內各種環境參數的實時采集，以及迅速將采集到的信息上傳至云服務器進行進一步的處理的功能，包含了利用傳感器數據采集和Wi-Fi無線數據傳輸兩個部分任務；并需要增加蜂鳴器模塊、模擬報警器功能等，對異常監測數據進行警報和采取必要的決策措施，為高效的火災監測系統提供支持；并利用液晶顯示屏進行可視化的交互操作，保證為用戶提供可靠、友好的人機交互體驗。其具體系統架構如圖1所示，該架構主要采用意法半導體公司的ARM芯片STM32F103C8T6作為主控核心，采用DHT11、MQ-135、光敏電阻和BMP280等高精度傳感器進行信息采集，并采用ESP8266Wi-Fi模塊保證數據傳輸的高效、穩定和安全。

除前述良好的芯片性能，系統中，DHT11溫濕度復合傳感器模塊能夠提供精確校準的數字信號輸出，在響應速度、抗干擾能力和經濟性方面也具有良好的品質，可以保證模塊的可靠性和穩定性；MQ-135氣體傳感器采用SnO2作為氣敏材料，基于材料電導率與空氣質量變化間的關系進行空氣質量監測，可以靈敏感知空氣中氨氣、硫化物、苯系蒸氣等有害氣體的存在，且具有一定的性價比；BMP280氣壓傳感器具有小尺寸、高精度、低功耗、高穩定性和通信接口標準化等特點，可以良好匹配該應用場景；而MQ-7CO傳感器以及和MQ-2煙霧濃度傳感器也是環境監測中常用的感知元件，在煙霧探測與感知方面具有較好的穩定性和性價比；ESP8266模塊良好的通信性能和超低功耗特點，在保證通信性能的同時，可以有效降低實時監測與通信能耗，提升系統的綜合效能。該系統架構不僅可以及時、有效地采集和監測家居室內環境的各項指標參數，還可以基于對監測參數閾值變化進行自動報警，以及采取必要的管控決策措施等，確保家居環境的安全與健康。

2.5軟硬件設計

該系統軟件邏輯如圖2所示，主要采用Keil5、AltiumDesigner進行軟件開發和電路設計。

在硬件設計上，該系統采用STM32F103C8T6最小系統進行電路設計，采用中景園的0.96寸OLED屏幕作為信息呈現與交互的核心組件，采用低電平觸發有源蜂鳴器進行預警提示；采用獨立按鍵布設操控界面，進行菜單管理、確認、加、減等操控功能；通過中斷服務程序或輪詢程序處理按鍵事件；并搭設相應的氣體傳感器、溫濕度傳感器以及氣壓傳感器以及通信模塊的電路。

在軟件設計上，基于SMT32接口特點，需要通過對設備、端口、網絡接口等的配置和初始化，以及數據采集、轉換、合并上傳等聯通感知數據的采集與應用[2]；通過匹配適宜的算法模型，對采集到的數據進行濾波和轉換等處理，提升采集數據的準確性和穩定性；并利用程序語言規范對數據的傳輸和存儲功能，確保數據的完整性和可訪問性；以及創建Wi-Fi.h和Wi-Fi.c文件，對Wi-Fi模塊進行初始化；并利用機智云物聯網自助開發平臺制作應用APP，并主要采用ESP-01模塊和TCP通信協議進行平臺連接。

2.6系統調試

系統調試主要包括安裝Keil軟件、新建項目、項目配置、源代碼整合、調試參數設定、編譯項目、啟動調試、程序分析以及修復問題和重復調試等步驟。主要采用轉關觀察分析以及利用示波器、邏輯分析等工具等進行調試分析。

對STM32硬件開發板的調試，首先需要檢查所有硬件的連接可靠性，確保接口牢固，識別虛焊或短路等問題，并進行處理；然后進行通電和電源管理檢查，觀察通電指示燈，確認供電正常；利用調試接口發送測試指令或是讀取設備狀態等，與STM32開發板進行通信，檢查系統通信是否正常；并對GPIO、ADC、I2C等接口以及傳感器等進行功能測試，以及系統運行測試和功耗測試等。

3慧家居中多傳感器融合的室內環境監測系統優化設計策略

3.1系統效能優化

為保證和有效提升監測系統的監測的及時性和準確性。確保系統的安全、可靠與穩定運行，以及降低系統構建成本等，需要采取必要的優化策略進行優化設計。

其一，在傳感器選擇層面，需要基于系統對環境感知的功能和性能要求，綜合對比當下市面各類傳感器模塊或產品的功能特點、性能指標以及采購價格、配套服務等，配置適宜的傳感器組件；在傳感器應用層面，需要對傳感器模塊進行初始化設置和感知檢測校準，確保感知的數據信息準確可靠；同時，因感知信號大多為模擬信號，且容易受到電源、環境的等因素的干擾，需要對采集的信號進行濾波、模數轉換處理，為數據分析提供有效且精準的數據信息；在數據處理層面，需要基于功能需要匹配適宜的算法模型，并根據環境條件特點，對算法模型進行優化，確保數據分析的有效性和精準性。

其二，在功能層面，基于STM32強大式算力和多傳感器融合效能，以及室內環境場景變化以及用戶體驗高品質需要，構建智能化、個性化的環境感知、監測與分析策略。綜合環境指標參數采集、數據處理、大數據分析、閾值設計等設計細節，通過優化環境模式、構建基于最優化算法的環境深度感知與分析模型等[3]，對監測環境進行監測、分析與預測，提升系統對室內環境感知的靈敏度、動態性和個性化調控能力等，為家居環境智能化調控以及提升用戶體驗品質等提供支持。

其三，在檢測系統設計層面，需要從數據流、信息流、通信網絡結構等角度對系統進行性能優化。比如，通過采用嵌入式的系統結構，優化系統架構，改善數據采集與處理流程等，提升系統的穩定性、數據傳輸的可靠性和精準性，以提升系統的綜合應用效能。

3.2系統硬件優化

為匹配適宜的硬件電路以支撐室內環境監測系統的運行，確保系統運行安全、穩定、可靠，在電路設計時，需要從多方面進行考慮。

其一，在傳感器選擇與接口方面，在匹配適宜的傳感器設備的同時，需要設計適當的接口電路，確保傳感器數據能夠準確、可靠地被STM32微控制器采集和傳輸；其二，在電源穩定性方面，在匹配穩定的電源模塊的同時，采取一定的濾波和穩壓措施，減少電源噪聲和波動對間的系統信號采集與傳輸等的影響，確保系統穩定工作；其三，在信號處理方面，需要設計適宜的模數轉換和濾波電路，提升信號的可靠性和準確性，為信號傳輸與數據處理提供精準的數據信息；其四，在數據存儲與傳輸方面，主要采用符合系統需求存儲量和通信流量、傳輸速率的存儲心芯片、存儲卡以及Wi-Fi通信模塊，進行數據采集和傳輸至云服務器或其他目標終端；其五，在人機交互方面，主要利用液晶顯示器、LED指示燈、蜂鳴器等元器件，實現系統與人在操作和預警等層面的人機交互，并充分考慮人的視覺、聽覺、手指操作特性進行交互設計。

最后，在系統性能優化方面，一方面，通過模塊化的設計理念，確保系統各部分能夠獨立工作和便于日后的維修與升級操作；一方面，在電路設計過程中，尤其注重低功耗的電路設計與元器件選擇，通過選擇低功耗元件、實時動態電源管理、優化時鐘頻率等措施等，提升電源管理效能，以延長系統工作時間和最大化減少能源消耗。

4總結

綜上所述，智慧家居中多傳感器融合的室內環境監測系統優化設計，需要基于應用場景和環境指標調控需要，匹配適宜的傳感器數量和種類；綜合系統監測功能與性能要求，相關軟硬件產品的性能和成本，環境監測指標在監測精準性上的要求，以及監測系統運行的可靠性、穩定性等，從多角度進行綜合設計考量，進而開展芯片選擇、軟硬件系統架構搭建、電路設計、軟件開發以及系統調試等工作，構建起符合系統建設要求和保障系統運行效能的室內環境監測系統。

參考文獻

［1］朱兆豐，劉靜琦，周振虎，等.基于STM32的室內環境監測系統設計[J].物聯網技術，2021，11（06）：6-9.

[2]吳楊博，閆金萌，胡海峰.基于ESP8266的智能家居環境監測系統設計與實現[J].通信與信息技術，2024，（02）：10-14.

[3]王淼.基于STM32的智能家居聯動控制設計[D].臨沂大學，2024.