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基于STM32的智能家居环境监控系统设计

backend 2025/9/5 8:04:43

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1. 项目背景

随着物联网（IoT）技术的飞速发展和人们生活水平的提高，对家居环境的舒适性、安全性和智能化提出了更高的要求。传统的家居环境管理依赖人工感知和调节，效率低下且不精确。温湿度、空气质量（如PM2.5、CO）、光照强度等因素直接影响居住者的健康与舒适度。

因此，本项目旨在设计并实现一个基于STM32单片机的智能家居环境监控系统。该系统能够实时、自动地采集多种环境参数，通过本地显示和远程云平台（Onenet ）双路传输数据至用户APP，并提供超限自动报警与联动控制功能，从而构建一个智能化、网络化、自动化的现代家居环境管理解决方案。

2. 硬件功能

本系统的硬件部分主要由以下模块组成：

主控制器 (MCU)：采用STM32F103C8T6单片机（内核Cortex-M3），作为系统的控制核心，负责数据采集、处理、逻辑判断、外设控制及通信协调。
传感器模块：
- 温湿度传感器：DHT11或DHT22，用于采集环境温度和湿度。
- 光照强度传感器：BH1750（数字输出，I2C接口），用于采集环境光强。
- 一氧化碳(CO)传感器：MQ-7（模拟输出），用于检测一氧化碳气体浓度。
- PM2.5浓度传感器：GP2Y1014AU0F（模拟输出）或攀藤PMS5003（串口输出），用于检测空气中PM2.5颗粒物浓度。
执行器与报警模块：
- 继电器模块：用于控制风扇、灯等220V用电设备。
- LED灯与蜂鸣器：用于组成声光报警装置。
显示模块：0.96寸或1.3寸OLED显示屏（I2C接口）或LCD1602液晶屏，用于本地实时显示所有环境参数和设置阈值。
通信模块：ESP-01S ESP8266 WIFI模块，通过UART与STM32通信，负责将数据上传至Onenet IoT平台。
电源模块：AMS1117-3.3V稳压芯片，为STM32及外围模块提供稳定的3.3V电源。执行器部分可采用外部电源供电。
其他：STM32最小系统电路（晶振、复位电路等）、按键（用于设置阈值）。

3. 系统框架图

下图描述了系统的整体硬件框架和数据流：

数据流说明：

上行：传感器数据 -> STM32 -> (通过WIFI) ->Onenet -> APP。
下行：APP设置指令 -> Onenet -> (通过WIFI) -> STM32。
本地控制：STM根据预设逻辑和阈值，直接控制执行器。

4. 软件设计

软件程序在Keil MDK或STM32CubeIDE环境中使用C语言开发，基于HAL库或标准库。程序采用模块化设计，主要包括：

主程序模块：初始化外设，调度各任务。
传感器驱动模块：DHT11、BH1750、ADC（用于MQ-7/GP2Y10）等的读写驱动程序。
执行器控制模块：GPIO控制继电器、LED、蜂鸣器。
显示模块：OLED/LCD的显示驱动程序。
通信模块：UART驱动与ESP8266的AT指令解析，MQTT协议对接Onenet 。
业务逻辑模块：实现数据判断、报警逻辑、设备联动。

5. 软件流程图

6. 关键代码片段

6.1 主循环逻辑

6. 关键代码片段（示例）
6.1 主循环逻辑（伪代码风格）
c
int main(void) {// 初始化所有外设HAL_Init();SystemClock_Config();MX_GPIO_Init();MX_USART1_UART_Init(); // For ESP8266MX_I2C1_Init();        // For BH1750 & OLEDMX_ADC1_Init();        // For MQ-7// ... 其他初始化// 连接Onenet ESP8266_Init();ALIYUN_MQTT_Connect();while (1) {// 1. 读取传感器temperature = DHT11_ReadTemperature();humidity = DHT11_ReadHumidity();light_intensity = BH1750_ReadLight();co_ppm = MQ7_ReadPPM(); // 通过ADC读取并转换pm25 = PM25_ReadValue();// 2. 本地显示OLED_ShowData(temperature, humidity, light_intensity, co_ppm, pm25);// 3. 上传云平台ALIYUN_MQTT_Publish("topic/temp", temperature);// ... 发布其他数据// 4. 检查阈值并控制设备if (temperature > temp_max_threshold) {HAL_GPIO_WritePin(FAN_Relay_GPIO_Port, FAN_Relay_Pin, GPIO_PIN_SET); // 打开风扇if (!isAlarming) Buzzer_Alarm_ON(); // 启动报警} else {HAL_GPIO_WritePin(FAN_Relay_GPIO_Port, FAN_Relay_Pin, GPIO_PIN_RESET);}// ... 检查其他传感器阈值// 5. 处理云平台下发的指令（在串口中断或循环中解析）ALIYUN_MQTT_ProcessLoop(); // 例如处理`/sys/xxx/thing/service/property/set`消息HAL_Delay(2000); // 延时2秒}
}
6.2 MQTT回调函数（处理云端下发指令）
c
// 当从MQTT主题收到消息时回调
void messageArrived(char* topic, byte* payload, unsigned int length) {char json[100];memcpy(json, payload, length);json[length] = '\0';// 解析JSON，示例: {"method":"thing.service.property.set", "id":"123", "params":{"temp_max":30}, "version":"1.0.0"}cJSON* root = cJSON_Parse(json);cJSON* params = cJSON_GetObjectItem(root, "params");if (params) {cJSON* new_temp_max = cJSON_GetObjectItem(params, "temp_max");if (new_temp_max) {temp_max_threshold = new_temp_max->valuedouble; // 更新温度阈值// 可以将新阈值保存到Flash，防止掉电丢失}// ... 解析其他参数如 light_min, co_max等}cJSON_Delete(root);
}
6.3 ADC读取MQ-7（简化版）
c
#define MQ7_ADC_CHANNEL ADC_CHANNEL_0uint32_t MQ7_ReadADC() {ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};sConfig.Channel = MQ7_ADC_CHANNEL;sConfig.Rank = 1;HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig); // 假设hadc1已初始化HAL_ADC_Start(&hadc1);HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 50);return HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
}float MQ7_ReadPPM() {uint32_t adc_value = MQ7_ReadADC();float voltage = (adc_value / 4095.0) * 3.3; // 假设12位ADC，3.3V参考电压// 根据传感器特性曲线将电压值转换为PPM值 (简化计算，需校准)float ppm = (voltage - 0.2) * 1000.0 / (0.8); // 示例公式，切勿直接使用return ppm;
}

6.2 MQTT回调函数（处理云端下发指令）


// 当从MQTT主题收到消息时回调
void messageArrived(char* topic, byte* payload, unsigned int length) {char json[100];memcpy(json, payload, length);json[length] = '\0';// 解析JSON，示例: {"method":"thing.service.property.set", "id":"123", "params":{"temp_max":30}, "version":"1.0.0"}cJSON* root = cJSON_Parse(json);cJSON* params = cJSON_GetObjectItem(root, "params");if (params) {cJSON* new_temp_max = cJSON_GetObjectItem(params, "temp_max");if (new_temp_max) {temp_max_threshold = new_temp_max->valuedouble; // 更新温度阈值// 可以将新阈值保存到Flash，防止掉电丢失}// ... 解析其他参数如 light_min, co_max等}cJSON_Delete(root);
}

6.3 ADC读取MQ-7


#define MQ7_ADC_CHANNEL ADC_CHANNEL_0uint32_t MQ7_ReadADC() {ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};sConfig.Channel = MQ7_ADC_CHANNEL;sConfig.Rank = 1;HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig); // 假设hadc1已初始化HAL_ADC_Start(&hadc1);HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 50);return HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
}float MQ7_ReadPPM() {uint32_t adc_value = MQ7_ReadADC();float voltage = (adc_value / 4095.0) * 3.3; // 假设12位ADC，3.3V参考电压// 根据传感器特性曲线将电压值转换为PPM值 (简化计算，需校准)float ppm = (voltage - 0.2) * 1000.0 / (0.8); // 示例公式，切勿直接使用return ppm;
}

7.调试结果

经过上述软硬件测试，本系统可以实现预设的相关功能。
第一，在监控方面。本系统能对所处环境中的温湿度、室内光照强度、PM2.5和CO浓度进行实时监控并显示结果。其中温度测量范围为±0~50℃（存在±2％的误差），光照强度测量范围0~99％，湿度测量范围为10~90％RH（存在±5％RH的误差），PM2.5浓度监测灵敏度为0.5V/（0.1mg/m3）。CO浓度监控范围为0~99%。在检测PM2.5和CO浓度时，测量值会与程序内设置的三组范围进行比较。本系统可以控制电灯、报警灯、排气扇,，报警器的开关，报警模块中的LED灯和蜂鸣器也可以按照正确指令启动。综上所述，本系统基本达到了预设的效果。
第二，在人机交互情况。本系统不仅能在OLED上显示采集环境数值的结果，还可以利用ESP8266WIFI模块与手机进行通讯。这样方便用户在手机上实时观察到环境数据。配备的按键可以设置报警阈值的加减。

8. 总结

本项目成功设计并实现了一个功能完备的智能家居环境监控系统。该系统以高性能、低成本的STM32单片机为核心，集成多种传感器，实现了对环境参数的全面采集、本地显示和远程云平台监控。通过Onenet IoT平台和手机APP，用户可以实现远程实时监控和个性化阈值设置。系统具备自动报警和设备联动功能，显著提升了家居环境的智能化水平和安全性。

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