基于STM32的室內(nèi)環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傅良康　蘇威　吳文秀

摘? 要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)國(guó)內(nèi)家庭室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)提出了更高的要求。根據(jù)人們對(duì)家庭室內(nèi)生活環(huán)境和安全環(huán)境的共同需求，開(kāi)發(fā)了一套基于STM32的智能家庭室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)，可以讓用戶(hù)在檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控室內(nèi)環(huán)境，也可以讓用戶(hù)通過(guò)遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)使用手機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)房屋的生活環(huán)境和安全環(huán)境，并在用戶(hù)沒(méi)有實(shí)時(shí)觀(guān)察的情況下發(fā)出危險(xiǎn)警報(bào)，具體包括溫度監(jiān)測(cè)、濕度監(jiān)測(cè)、CO監(jiān)測(cè)、可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：STM32? 室內(nèi)監(jiān)測(cè)? 遠(yuǎn)程傳輸? 單片機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)：X84? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：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(duì)家居環(huán)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(jī)就可以對(duì)家居環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控已經(jīng)成為了高品質(zhì)生活的象征[1]。家庭室內(nèi)環(huán)境由兩個(gè)部分組成，分別為生活環(huán)境和安全環(huán)境。在該文中，基于Cortex-M3內(nèi)核的微處理器STM32F103ZET6作為主控芯片，通過(guò)溫濕度傳感器、CO傳感器和可燃?xì)怏w傳感器檢測(cè)室內(nèi)的溫度、濕度、CO和可燃?xì)怏w，將檢測(cè)到數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TM32單片機(jī)中進(jìn)行集中處理，再利用ESP8266網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)將各項(xiàng)數(shù)據(jù)通過(guò)服務(wù)器反饋到用戶(hù)手中，從而達(dá)到對(duì)家庭室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)的目的。

1? 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)是由傳感器模塊檢測(cè)檢測(cè)室內(nèi)環(huán)境，并將數(shù)據(jù)傳輸至STM32單片機(jī)，再將處理后的數(shù)據(jù)在LCD顯示屏顯示或由WiFi模塊將數(shù)據(jù)通過(guò)云服務(wù)器傳輸至手機(jī)。因此用戶(hù)僅需要一部手機(jī)或者在檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，就能夠監(jiān)測(cè)家庭室內(nèi)環(huán)境的各項(xiàng)指標(biāo)。檢測(cè)到的數(shù)據(jù)通過(guò)主控芯片和ESP8266芯片數(shù)據(jù)交互傳輸?shù)椒?wù)器，再通過(guò)服務(wù)器反饋到手機(jī)APP上的。硬件電路設(shè)計(jì)包括電源電路設(shè)計(jì)、傳感器和LCD顯示屏與主控芯片連接電路等部分。系統(tǒng)流程圖具體見(jiàn)圖1。

2? 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主控芯片在整個(gè)系統(tǒng)中承擔(dān)著最核心的任務(wù)，它負(fù)責(zé)整套智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部所有數(shù)據(jù)的收發(fā)與執(zhí)行，起到承上啟下的作用。當(dāng)用戶(hù)通過(guò)手機(jī)查看實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，它需要實(shí)現(xiàn)與移動(dòng)終端的交互，將傳感器模塊傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理，通過(guò)ESP8266WiFi通信技術(shù)讓用戶(hù)得到想要的結(jié)果。因此，選擇合適的主控芯片，可以保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠。

考慮到實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性和性能，以及未來(lái)可能擴(kuò)展其他的功能，采用搭載Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103ZET6型單片機(jī)作為該次設(shè)計(jì)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(jià)格、高性能等優(yōu)勢(shì)。在STM32F1系列中，STM32F103ZET6屬于通用型產(chǎn)品，其具有144個(gè)引腳，閃存容量為512 k，時(shí)鐘頻率為 72 MHz，可在-40℃～85℃的溫度環(huán)境中工作，滿(mǎn)足工業(yè)級(jí)水平要求。

AMS1117內(nèi)部集成了限流電路，還有過(guò)熱保護(hù)功能，能夠選擇多種輸出電壓型號(hào)，是一款正向低壓降穩(wěn)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(lái)獲得12 V直流電。然后通過(guò)MP2359的相關(guān)電路將電壓降至5 V，最后再利用AMS1117-3.3把電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V，電路如圖2所示。

該系統(tǒng)針對(duì)生活環(huán)境選擇的是DHT11這一款通信方式為單總線(xiàn)通信的溫濕度傳感器模塊，相對(duì)于其他種類(lèi)的傳感器模塊來(lái)說(shuō)，DHT11具有功耗低、體積小、通信方式簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，其輸入輸出端只用到一個(gè)I/O接口，采用串行數(shù)據(jù)的傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，在一定程度上方便開(kāi)發(fā)者使用[3]。DHT11傳感器采用讀時(shí)序的原理，來(lái)測(cè)量當(dāng)前室內(nèi)環(huán)境中的溫度與濕度;安全環(huán)境采用MQ2和MQ7傳感器采用ADC原理讀取傳感器電壓來(lái)反映當(dāng)前空氣中是否存在可燃?xì)怏w和CO有毒氣體。

蜂鳴器的型號(hào)為BELL-5，當(dāng)可燃?xì)怏w傳感器或CO傳感器檢測(cè)到的可燃?xì)怏w濃度或CO濃度高于設(shè)定報(bào)警值時(shí)，控制芯片的PB8引腳高電平輸出，使蜂鳴器導(dǎo)通發(fā)出警報(bào)，當(dāng)檢測(cè)到的值低于設(shè)定報(bào)警值時(shí)，控制芯片的PB8引腳輸出信號(hào)為低電平，使蜂鳴器截止，蜂鳴器停止警報(bào)。

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(shí)反映至液晶屏上，實(shí)現(xiàn)人機(jī)友好交互。

使用ESP8266無(wú)線(xiàn)WiFi模塊來(lái)完成遠(yuǎn)程通信的任務(wù)。ESP8266模塊內(nèi)部集成了天線(xiàn)開(kāi)關(guān)、電源管理轉(zhuǎn)換器等小型元器件，因此只需要極少的外部接線(xiàn)就可以工作，是一個(gè)完全獨(dú)立的WiFi網(wǎng)絡(luò)解決方案，由此可以降低PCB在包括前端模塊在內(nèi)的整個(gè)解決方案在設(shè)計(jì)時(shí)占用的空間。實(shí)物圖具體見(jiàn)圖2。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)開(kāi)發(fā)和下位機(jī)開(kāi)發(fā)是該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。下位機(jī)是基于STM32通過(guò)MDK5軟件來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)的，所用的編程語(yǔ)言為C語(yǔ)言。

MQ2和MQ7傳感器采用ADC原理讀取傳感器電壓來(lái)反映當(dāng)前空氣中是否存在可燃?xì)怏w和CO有毒氣體，MQ2傳感器的特性就相當(dāng)于一個(gè)滑動(dòng)變阻器，其電阻隨著氣體濃度的增大而減小，電導(dǎo)率是電阻的倒數(shù)，當(dāng)其輸出的電阻越低，電導(dǎo)率就會(huì)隨之增大則輸出的模擬信號(hào)就越大。MQ7傳感器可以檢測(cè)室內(nèi)環(huán)境的CO濃度，來(lái)輸出高低電平，通過(guò)控制芯片來(lái)控制蜂鳴器的警報(bào)。

采用這幾種傳感器的原因是，在使用傳感器時(shí)，涉及的引腳較少，可以在滿(mǎn)足功能實(shí)現(xiàn)的同時(shí)降低處理芯片的壓力，使得整體系統(tǒng)運(yùn)行流暢，提高芯片的資源利用率[3]。

上位機(jī)軟件為方便用戶(hù)使用，設(shè)計(jì)的是一款手機(jī)APP，如有需要也容易拓展到PC端。該系統(tǒng)中，各個(gè)功能模塊全天候不間斷監(jiān)控，并將所檢測(cè)的數(shù)據(jù)傳輸至單片機(jī)，通過(guò)單片機(jī)處理后，將處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)ESP8266上傳至服務(wù)器，然后通過(guò)服務(wù)器反饋至手機(jī)，用戶(hù)只需要打開(kāi)手機(jī)便可以實(shí)時(shí)監(jiān)控各項(xiàng)數(shù)據(jù)。

4? 硬件電路實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)測(cè)試

為了保證硬件單路的安全性和可靠性，在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后，進(jìn)行24 h不間斷測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表示該系統(tǒng)可以正常工作，具備比較高的穩(wěn)定性和可靠性。選取一天中同一時(shí)段的部分結(jié)果記錄統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果具體見(jiàn)表1。

5? 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)是基于STM32設(shè)計(jì)的室內(nèi)環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)?？梢宰層脩?hù)在遠(yuǎn)程通過(guò)手機(jī)或在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)LCD顯示屏能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)的環(huán)境情況。該套系統(tǒng)成本低廉、操作簡(jiǎn)單，而且穩(wěn)定性也很高。為了更加方便人們的生活，該系統(tǒng)還可以繼續(xù)增加其他電子設(shè)備的接入，如空調(diào)、熱水器等，致力于打造智能化家居，切實(shí)提高人們的生活質(zhì)量。

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作者簡(jiǎn)介：傅良康（1994，5—），男，漢族，湖北荊州人，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化。