基于STM32的室内环境远程监测系统设计
来源:用户上传
作者:傅良康 苏威 吴文秀
摘 要：随着科学技术的发展，人们对国内家庭室内环境监测提出了更高的要求。根据人们对家庭室内生活环境和安全环境的共同需求，开发了一套基于STM32的智能家庭室内监控系统，可以让用户在检测现场实时监控室内环境，也可以让用户通过远程传输技术使用手机实时监测房屋的生活环境和安全环境，并在用户没有实时观察的情况下发出危险警报，具体包括温度监测、湿度监测、CO监测、可燃气体监测。
关键词：STM32 室内监测 远程传输 单片机
中图分类号：X84 文献标识码：A 文章编号：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
隨着科技的日新月异，人们对家居环境的要求不仅局限在安全舒适性，更提出了智能化的需求，利用一部手机就可以对家居环境进行实时监控已经成为了高品质生活的象征[1]。家庭室内环境由两个部分组成，分别为生活环境和安全环境。在该文中，基于Cortex-M3内核的微处理器STM32F103ZET6作为主控芯片，通过温湿度传感器、CO传感器和可燃气体传感器检测室内的温度、湿度、CO和可燃气体，将检测到数据传输到STM32单片机中进行集中处理，再利用ESP8266网络通信技术将各项数据通过服务器反馈到用户手中，从而达到对家庭室内环境进行智能监测的目的。
1 系统总体方案设计
该系统是由传感器模块检测检测室内环境，并将数据传输至STM32单片机，再将处理后的数据在LCD显示屏显示或由WiFi模块将数据通过云服务器传输至手机。因此用户仅需要一部手机或者在检测现场，就能够监测家庭室内环境的各项指标。检测到的数据通过主控芯片和ESP8266芯片数据交互传输到服务器，再通过服务器反馈到手机APP上的。硬件电路设计包括电源电路设计、传感器和LCD显示屏与主控芯片连接电路等部分。系统流程图具体见图1。
2 硬件系统设计
主控芯片在整个系统中承担着最核心的任务，它负责整套智能家居环境监测系统内部所有数据的收发与执行，起到承上启下的作用。当用户通过手机查看实时监测数据时，它需要实现与移动终端的交互，将传感器模块传输过来的数据运算和处理，通过ESP8266WiFi通信技术让用户得到想要的结果。因此，选择合适的主控芯片，可以保证整个系统的稳定和可靠。
考虑到实用性、经济性和性能，以及未来可能扩展其他的功能，采用搭载Cortex-M3内核的STM32F103ZET6型单片机作为该次设计的主控制芯片。它是一种嵌入式微控制器集成电路，具有低功耗、低价格、高性能等优势。在STM32F1系列中，STM32F103ZET6属于通用型产品，其具有144个引脚，闪存容量为512 k，时钟频率为 72 MHz，可在-40℃～85℃的温度环境中工作，满足工业级水平要求。
AMS1117内部集成了限流电路，还有过热保护功能，能够选择多种输出电压型号，是一款正向低压降稳压器[6]。由于ESP8266电路需要5 V的电源供电，而STM32F103RCT6需要3.3 V电源供电，可以先使用外部变压器来获得12 V直流电。然后通过MP2359的相关电路将电压降至5 V，最后再利用AMS1117-3.3把电压转换为3.3 V，电路如图2所示。 该系统针对生活环境选择的是DHT11这一款通信方式为单总线通信的温湿度传感器模块，相对于其他种类的传感器模块来说，DHT11具有功耗低、体积小、通信方式简单的优点，其输入输出端只用到一个I/O接口，采用串行数据的传输方式进行数据的传输，在一定程度上方便开发者使用[3]。DHT11传感器采用读时序的原理，来测量当前室内环境中的温度与湿度;安全环境采用MQ2和MQ7传感器采用ADC原理读取传感器电压来反映当前空气中是否存在可燃气体和CO有毒气体。
蜂鸣器的型号为BELL-5，当可燃气体传感器或CO传感器检测到的可燃气体浓度或CO浓度高于设定报警值时，控制芯片的PB8引脚高电平输出，使蜂鸣器导通发出警报，当检测到的值低于设定报警值时，控制芯片的PB8引脚输出信号为低电平，使蜂鸣器截止，蜂鸣器停止警报。
TFLCD液晶显示屏利用ILI9341控制器，采用STM32的FSMC功能，将传感器采集信息如实反映至液晶屏上，实现人机友好交互。
使用ESP8266无线WiFi模块来完成远程通信的任务。ESP8266模块内部集成了天线开关、电源管理转换器等小型元器件，因此只需要极少的外部接线就可以工作，是一个完全独立的WiFi网络解决方案，由此可以降低PCB在包括前端模块在内的整个解决方案在设计时占用的空间。实物图具体见图2。
3 系统软件设计
上位机开发和下位机开发是该系统软件设计的重点。下位机是基于STM32通过MDK5软件来进行开发的，所用的编程语言为C语言。
MQ2和MQ7传感器采用ADC原理读取传感器电压来反映当前空气中是否存在可燃气体和CO有毒气体，MQ2传感器的特性就相当于一个滑动变阻器，其电阻随着气体浓度的增大而减小，电导率是电阻的倒数，当其输出的电阻越低，电导率就会随之增大则输出的模拟信号就越大。MQ7传感器可以检测室内环境的CO浓度，来输出高低电平，通过控制芯片来控制蜂鸣器的警报。
采用这几种传感器的原因是，在使用传感器时，涉及的引脚较少，可以在满足功能实现的同时降低处理芯片的压力，使得整体系统运行流畅，提高芯片的资源利用率[3]。
上位机软件为方便用户使用，设计的是一款手机APP，如有需要也容易拓展到PC端。该系统中，各个功能模块全天候不间断监控，并将所检测的数据传输至单片机，通过单片机处理后，将处理后的数据通过ESP8266上传至服务器，然后通过服务器反馈至手机，用户只需要打开手机便可以实时监控各项数据。
4 硬件电路实现和系统测试
为了保证硬件单路的安全性和可靠性，在整个系统设计完成之后，进行24 h不间断测试。测试结果表示该系统可以正常工作，具备比较高的稳定性和可靠性。选取一天中同一时段的部分结果记录统计，其结果具体见表1。
5 结语
该系统是基于STM32设计的室内环境远程监测系统，详细介绍了该系统的硬件系统设计和软件系统设计。可以让用户在远程通过手机或在现场通过LCD显示屏能够实时监测室内的环境情况。该套系统成本低廉、操作简单，而且稳定性也很高。为了更加方便人们的生活，该系统还可以继续增加其他电子设备的接入，如空调、热水器等，致力于打造智能化家居，切实提高人们的生活质量。
参考文献
[1] 刘迪.智能家居室内空气质量监测系统的研究与实现[D].安徽理工大学，2019.
[2] 曹振民，陈年生，马强，等.基于ESP8266的无线控制电路设计[J].工业控制计算机，2017，30（1）：68-69.
[3] 徐军，杨帆，朴金宁，等.室内环境参数远程监测系统设计[J].电子技术应用，2018，44（2）：48-51.
[4] 郭联金，虞晓琼，王国胜，等.室内空气质量监测系统的设计与实现[J].微型机与应用，2016，35（18）：99-102.
[5] 王鹏.室内有害气体检测控制系统的研究[D].河北联合大学，2015.
[6] 余仁潤.室内环境质量检测与报警系统[D].黑龙江：哈尔滨理工大学，2019.
[7] 陈红，印春晓，韦金言，等.基于STM32的室内环境监测系统的设计与开发[J].电子技术与软件工程，2019（9）：56-57.
作者简介：傅良康（1994，5—），男，汉族，湖北荆州人，硕士研究生，研究方向为机电一体化。
转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-15382588.htm
