基于STM32的智能宠物屋系统设计

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STM32药物存放环境监测系统设计

基于STM32单片机药物存放环境监测系统的实现 1、DHT11传感器实时采集存储环境的温度和湿度数据，确保环境适宜 2、烟雾传感器检测空气中的烟雾浓度，及时发现潜在的火灾隐患 3、火焰传感器检测火灾的发生，预防火灾事故发生 4、按键或APP设置温湿度、烟雾、火灾阈值，超标时触发报警机制 5、温度，烟雾、火焰发生异常时，蜂鸣器报警警示。 6、烟雾或温度超标时启动排气通道进行通风或散热，降低环境风险 7、OLED显示屏展示环境数据 8、通过Wi-Fi模块连接手机，远程查看实时监测数据，设置阈值及控制。 目录 一、引言 （一）研究背景及意义 （二）国内外研究现状 （三）论文研究内容 二、系统总体设计 （一）系统架构 （二）功能模块划分 三、硬件设计与实现 （一）系统硬件框架图 （二）主控模块选型及介绍 （三）传感器模块选型及电路设计 （四）通信模块选型及配置 （五）执行模块选型及驱动电路 （六）显示模块选型及接口电路 （七）电源模块设计 四、软件设计与实现 （一）开发环境搭建 （二）系统软件流程图 （三）系统初始化（代码片段） （四）传感器数据采集与处理（代码片段） （五）控制功能实现（代码片段） （六）远程控制功能实现（代码片段） （七）警功能实现（代码片段） 五、系统测试与优化 （一）测试方案 （二）测试结果与分析 （三）系统优化 六、结论与展望 （一）论文总结 （二）未来展望

好的，这是一个非常完整和专业的毕业设计或项目方案框架。基于您的要求，我将为您撰写一份详细的《基于STM32单片机药物存放环境监测系统的实现》的设计方案。

基于STM32单片机药物存放环境监测系统的实现

一、引言

（一）研究背景及意义

药品作为一种特殊的商品，其安全性和有效性直接关系到人民的生命健康。许多药品对存储环境的温湿度、光照、洁净度等条件有严格的要求。不适宜的存储环境，如高温、高湿或烟雾污染，会加速药品的物理和化学变化，导致药效降低、失效甚至产生有毒物质。传统的药房或药库管理多依赖人工定时巡检，存在效率低、实时性差、易漏检等问题。特别是在火灾隐患的预防上，人工方式难以及时响应。因此，开发一套集实时监测、智能报警、主动干预和远程监控于一体的自动化药物存放环境监测系统，对保障药品质量、减少经济损失、预防重大安全事故具有极其重要的现实意义和应用价值。

（二）国内外研究现状

目前，国内外在环境监测领域的研究已日趋成熟。国外较早地将物联网技术应用于医疗环境监控，形成了较为完善的商业化解决方案，如基于ZigBee、LoRa等技术的无线传感网络系统。国内近年来随着物联网和嵌入式技术的飞速发展，也涌现出大量基于单片机（如STM32、Arduino）的环境监测系统研究，多集中于农业大棚、智能家居等场景。然而，专门针对药物存储这一高可靠性、高安全性要求的场景，将多传感器（温湿度、烟雾、火焰）深度融合，并集成本地控制与远程App交互的一体化系统，仍有深入研究和优化的空间。现有系统或在功能上较为单一，或在远程交互体验上存在不足。本研究旨在填补这一空白，设计一个功能全面、稳定可靠的专用系统。

（三）论文研究内容

本论文旨在设计并实现一个以STM32单片机为核心的药物存放环境智能监测系统。主要内容包括：

1. 设计系统总体架构，完成STM32最小系统、传感器模块、执行模块、显示模块和通信模块的硬件选型与电路设计。

2. 编写系统软件程序，实现对环境温湿度、烟雾浓度、火焰信号的实时采集与处理。

3. 实现本地OLED屏显示、按键设置阈值、蜂鸣器声光报警、继电器控制排气扇等功能。

4. 集成Wi-Fi模块，实现单片机与手机App的通信，使用户能够远程查看数据、设置参数和接收报警信息。

5. 对系统进行综合测试与优化，确保其稳定性、准确性和实用性。

二、系统总体设计

（一）系统架构

本系统采用分层分布式架构，以STM32F103C8T6单片机作为核心主控制器，负责协调所有外围模块的工作。系统通过传感器层（DHT11、MQ-2、火焰传感器）采集环境数据；通过执行层（蜂鸣器、继电器）执行报警和通风操作；通过人机交互层（OLED、按键）进行本地显示和设置；通过通信层（ESP8266 Wi-Fi模块）与云端服务器及手机App进行数据交互。系统整体架构如下图所示（概念图）：

text

[环境数据] -> [传感器层] -> [STM32主控制器] -> [执行层] -> [控制环境]|v[人机交互层] & [通信层] -> [手机App/用户]

（二）功能模块划分

1. 数据采集模块：负责温湿度、烟雾浓度、火焰信号的采集。

2. 核心控制模块：STM32，负责数据处理、逻辑判断和发出控制指令。

3. 报警模块：蜂鸣器，在环境参数异常时发出警报。

4. 执行模块：继电器模块，驱动排气扇进行通风散热。

5. 显示模块：OLED屏幕，实时显示所有环境数据和阈值信息。

6. 设置模块：独立按键，用于本地设置报警阈值。

7. 通信模块：ESP8266，负责将数据上传至云端并接收App指令。

三、硬件设计与实现

（一）系统硬件框架图

（此处应有一张硬件连接框图，由于文本限制，用文字描述）

• STM32主控芯片

• DHT11：连接至PC15（数据线）

• MQ-2：连接至PA0（ADC引脚）

• 火焰传感器：连接至PC13（数字输入引脚）

• OLED (I2C)：连接至PB6(SCL), PB7(SDA)

• 按键：连接至PA1, PA2, PA3

• 蜂鸣器：连接至PB0

• 继电器：连接至PB1

• ESP8266：连接至USART2 (PA2-TX, PA3-RX)

（二）主控模块选型及介绍

本设计选用意法半导体（ST）的STM32F103C8T6作为主控制器。该芯片基于高性能的ARM Cortex-M3内核，工作频率72MHz，具有64KB Flash、20KB SRAM，资源丰富。它拥有多达37个GPIO、3个USART、2个I2C、1个SPI和2个ADC，完全满足本系统多外设、多通信接口的需求。其性能强大、成本低廉、生态完善，是嵌入式开发的理想选择。

（三）传感器模块选型及电路设计

1. DHT11温湿度传感器：数字式传感器，提供校准后的数字信号输出，精度湿度±5%RH，温度±2℃。电路设计：VCC接3.3V，GND接地，DATA引脚接PC15并上拉一个4.7K-10K电阻到VCC。

2. MQ-2烟雾传感器：模拟输出型传感器，对液化气、丙烷、氢气、烟雾等敏感。电路设计：VCC接5V，GND接地，AO引脚接STM32的PA0（ADC1_IN0），通过ADC采集模拟电压值以判断浓度。DO引脚可悬空不用。

3. 火焰传感器：数字输出型，对火焰光谱特别敏感。电路设计：VCC接3.3V，GND接地，DO引脚接PC13。当检测到火焰时，输出低电平；否则输出高电平。

（四）通信模块选型及配置

选用安信可科技的ESP-01S模块，核心为ESP8266芯片。它支持IEEE 802.11 b/g/n协议，内置TCP/IP协议栈，可通过AT指令集进行配置。工作电压3.3V，通过USART与STM32通信。配置为STA模式连接到家庭路由器，再通过网络与手机App通信（可借助云平台如OneNET、阿里云或私有TCP服务器）。

（五）执行模块选型及驱动电路

1. 蜂鸣器：选用有源蜂鸣器（高电平触发）。驱动电路：STM32的PB0引脚通过一个NPN三极管（如S8050）驱动蜂鸣器，基极串联1k电阻，蜂鸣器接在集电极回路中，发射极接地。

2. 继电器：选用SRD-05VDC-SL-C 5V继电器模块，用于控制排气扇。驱动电路：模块已集成光耦和驱动电路，输入侧VCC接5V，GND接地，IN引脚接STM32的PB1。STM32输出低电平有效（根据模块逻辑）触发继电器吸合，从而接通排气扇的220V电路。

（六）显示模块选型及接口电路

选用0.96寸SSD1306驱动的OLED显示屏，分辨率128x64，I2C接口。具有自发光、高对比度、低功耗等优点。电路设计：VCC接3.3V，GND接地，SCL接PB6，SDA接PB7。

（七）电源模块设计

系统采用外部5V/2A直流电源适配器供电。STM32开发板、ESP8266、OLED、DHT11、火焰传感器使用3.3V供电。MQ-2传感器和继电器模块需要5V供电。因此，使用AMS1117-3.3稳压芯片将5V降压至3.3V为相关模块供电。

四、软件设计与实现

（一）开发环境搭建

1. 软件开发平台：使用Keil uVision5 MDK作为集成开发环境（IDE）。

2. 程序框架：采用HAL库（硬件抽象层）进行开发，提高代码可移植性和开发效率。

3. 烧录工具：使用ST-Link V2仿真器进行程序下载和调试。

（二）系统软件流程图

图表

代码

（三）系统初始化（代码片段）

c

#include "main.h"
#include "dht11.h"
#include "ssd1306.h"
#include "esp8266.h"I2C_HandleTypeDef hi2c1;
UART_HandleTypeDef huart2; // USART2 for ESP8266
ADC_HandleTypeDef hadc1;void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_I2C1_Init(void);
static void MX_USART2_UART_Init(void);
static void MX_ADC1_Init(void);int main(void) {HAL_Init();SystemClock_Config();MX_GPIO_Init();MX_I2C1_Init();MX_USART2_UART_Init();MX_ADC1_Init();SSD1306_Init(); // Initialize OLEDESP8266_Init(); // Initialize Wi-Fi module// ... Load thresholds from EEPROM (if used)while (1) {// Main loop tasks}
}
// ... 后续为各种初始化函数的详细配置

（四）传感器数据采集与处理（代码片段）

c

void Sensor_ReadTask(void) {// 1. Read DHT11if (DHT11_ReadTempHumidity(&humi, &temp) == DHT11_OK) {// Success, process data}// 2. Read MQ-2 (ADC)HAL_ADC_Start(&hadc1);if (HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 50) == HAL_OK) {smoke_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);// Convert ADC value to voltage or concentration percentagesmoke_percentage = (smoke_value / 4095.0) * 100.0;}HAL_ADC_Stop(&hadc1);// 3. Read Flame Sensor (Digital GPIO)flame_detected = (HAL_GPIO_ReadPin(FLAME_GPIO_Port, FLAME_Pin) == GPIO_PIN_RESET); // Assuming low level means flame detected
}

（五）控制功能实现（代码片段）

c

void Control_Task(void) {int alarm_triggered = 0;// Check thresholdsif (temp > temp_max || humi > humi_max) {HAL_GPIO_WritePin(BUZZER_GPIO_Port, BUZZER_Pin, GPIO_PIN_SET); // Buzzer ONHAL_GPIO_WritePin(RELAY_GPIO_Port, RELAY_Pin, GPIO_PIN_SET);   // Fan ONalarm_triggered = 1;}if (smoke_percentage > smoke_threshold) {HAL_GPIO_WritePin(BUZZER_GPIO_Port, BUZZER_Pin, GPIO_PIN_SET);HAL_GPIO_WritePin(RELAY_GPIO_Port, RELAY_Pin, GPIO_PIN_SET);alarm_triggered = 1;}if (flame_detected) {HAL_GPIO_WritePin(BUZZER_GPIO_Port, BUZZER_Pin, GPIO_PIN_SET);// Maybe trigger a more urgent action besides fanalarm_triggered = 1;}// If everything is normal, turn off alarm and fanif (!alarm_triggered) {HAL_GPIO_WritePin(BUZZER_GPIO_Port, BUZZER_Pin, GPIO_PIN_RESET);HAL_GPIO_WritePin(RELAY_GPIO_Port, RELAY_Pin, GPIO_PIN_RESET);}
}

（六）远程控制功能实现（代码片段）

c

// In USART interrupt callback or parsing function
void ESP8266_DataProcess(char *json_data) {// Example JSON from App: {"T_MAX":40, "H_MAX":70, "SMOKE_TH":50}cJSON *root = cJSON_Parse(json_data);if (root != NULL) {cJSON *item = cJSON_GetObjectItem(root, "T_MAX");if (cJSON_IsNumber(item)) {temp_max = item->valuedouble;// Save to EEPROM}// ... Parse other items H_MAX, SMOKE_THcJSON_Delete(root);}
}// Function to send data to cloud
void ESP8266_SendData(void) {char json_buffer[128];sprintf(json_buffer, "{\"temp\":%.1f,\"humi\":%.1f,\"smoke\":%.1f,\"flame\":%d}", temp, humi, smoke_percentage, flame_detected);ESP8266_SendString(json_buffer); // Send via USART to ESP8266 module
}

（七）报警功能实现（代码片段）

c

// 报警已在控制任务中实现，此处可设计更复杂的报警逻辑，如不同频率的蜂鸣
void Advanced_Alarm(void) {if (flame_detected) {// Urgent alarm: fast beepingfor (int i=0; i<5; i++) {HAL_GPIO_WritePin(BUZZER_GPIO_Port, BUZZER_Pin, GPIO_PIN_SET);HAL_Delay(200);HAL_GPIO_WritePin(BUZZER_GPIO_Port, BUZZER_Pin, GPIO_PIN_RESET);HAL_Delay(200);}} else if (temp > temp_max || smoke_percentage > smoke_threshold) {// Normal alarm: slow beepingHAL_GPIO_WritePin(BUZZER_GPIO_Port, BUZZER_Pin, GPIO_PIN_SET);HAL_Delay(1000);HAL_GPIO_WritePin(BUZZER_GPIO_Port, BUZZER_Pin, GPIO_PIN_RESET);HAL_Delay(1000);}
}

五、系统测试与优化

（一）测试方案

1. 单元测试：逐一测试每个模块功能。

   • 传感器测试：用温湿箱测试DHT11，用烟雾源测试MQ-2，用打火机测试火焰传感器。

   • 执行器测试：直接给高低电平，测试蜂鸣器和继电器是否正常动作。

   • 通信测试：测试OLED显示内容，测试ESP8266能否连接Wi-Fi并收发数据。

2. 集成测试：将所有模块连接至STM32，运行完整程序，模拟各种异常情况（如加热制造高温、点燃纸张制造烟雾和火焰），观察系统是否按预设逻辑进行报警和执行。

3. 压力测试：长时间运行系统，检查其稳定性和是否存在内存泄漏等问题。

（二）测试结果与分析

预计测试结果：系统能够稳定采集环境数据并准确显示。当任一参数超过设定的安全阈值时，蜂鸣器能立即发出警报，继电器能正确启动排气扇。手机App能够实时接收并显示数据，并能成功下发控制指令和阈值设置指令。系统响应迅速，功能符合设计预期。

（三）系统优化

1. 软件优化：引入实时操作系统（RTOS）如FreeRTOS，更好地管理多个任务（数据采集、显示、通信、控制）。

2. 算法优化：对MQ-2的采集值进行软件滤波（如均值滤波、中值滤波），减少数据波动带来的误报。

3. 功耗优化：在非报警状态下，让STM32和传感器进入睡眠模式，定时唤醒采集，以降低系统功耗。

4. 安全性优化：为Wi-Fi通信增加加密协议（如MQTT over TLS），防止数据被窃取或篡改。

六、结论与展望

（一）论文总结

本论文成功设计并实现了一套基于STM32单片机的药物存放环境监测系统。系统完成了硬件电路的设计与搭建，以及嵌入式软件的开发。实现了对环境温湿度、烟雾浓度、火焰的实时监测、OLED显示、声光报警、自动通风、阈值设置和远程监控等全部预定功能。测试表明，系统运行稳定可靠，能够有效保障药物存放环境的安全，达到了设计的预期目标。

（二）未来展望

未来工作可以从以下几个方面展开：

1. 功能扩展：增加更多传感器，如光照度传感器（避免光敏药物变质）、振动传感器（防止非法闯入）。

2. 网络扩展：将系统接入更庞大的物联网平台，实现与多个药库的集中监控和管理，并增加大数据分析功能，预测环境变化趋势。

3. 交互优化：开发功能更完善的手机App和Web端管理界面，并增加多种报警方式，如短信、电话语音报警等。

4. 能源模式：增加锂电池供电和太阳能充电模块，使系统在断电情况下也能持续工作，真正实现全天候无人值守。

请注意：此文档为一个详细的方案框架。实际实现时，需要根据所选的具体元器件型号（尤其是Wi-Fi模块和云平台）来编写详细的驱动代码和通信协议解析代码。图中的硬件连接引脚也需根据您实际使用的STM32开发板引脚分布进行合理分配。

本回答由 AI 生成，内容仅供参考，请仔细甄别。

基于STM32的多节点环境检测系统 "1、使用温湿度传感器检测环境的温度和湿度； 2、使用PM2.5传感器检测环境的粉尘浓度 3、使用SGP30传感器检测co2浓度 4、0.96寸OLED显示屏显示设备的状态，参数，实现实时监测 5、按键设置参数阈值，超过或低于阈值蜂鸣器报警提醒 6、ESP8266连接Onenet等平台，APP显示各节点参数及状态，及阈值设置。 注：需要两个或多个设备来进行模块多个区域" 一、引言 （一）研究背景及意义 （二）国内外研究现状 二、系统总体设计 （一）系统架构 （二）功能模块划分 三、硬件设计与实现 （一）系统硬件框架图 （二）主控模块选型及介绍 （三）传感器模块选型及电路设计 （四）通信模块选型及配置 （五）执行模块选型及驱动电路 （六）显示模块选型及接口电路 （七）电源模块设计 四、软件设计与实现 （一）开发环境搭建 （二）系统软件流程图 （三）系统初始化（代码片段） （四）传感器数据采集与处理（代码片段） （五）控制功能实现（代码片段） （六）远程控制功能实现（代码片段） （七）警功能实现（代码片段） 五、系统测试与优化 （一）测试方案 （二）测试结果与分析 （三）系统优化 六、结论与展望 （一）未来展望

好的，这是一个基于您新需求的、更为详尽的《基于STM32的多节点环境检测系统》设计方案。方案重点突出了多节点、多传感器集成以及云平台连接的特性。

基于STM32的多节点环境检测系统

一、引言

（一）研究背景及意义

随着工业化、城市化的快速发展，空气质量和环境安全问题日益受到公众的关注。特别是室内环境，如医院药房、实验室、图书馆、档案馆以及智能家居等，对空气中的PM2.5颗粒物、CO2浓度、温湿度等参数有严格的要求。高浓度的PM2.5危害人体呼吸系统，而过高的CO2浓度会导致人员嗜睡、注意力下降，影响健康和工作效率。传统的单点、单参数监测手段已无法满足对复杂环境全面感知的需求。因此，构建一个分布式、多节点的环境检测网络，能够实时、同步地监测不同区域的多种环境参数，并通过云平台进行集中管理和智能预警，对于保障人员健康、提升环境管理水平、构建智慧空间具有极其重要的现实意义。

（二）国内外研究现状

当前，环境监测系统正朝着微型化、智能化和网络化方向发展。国外在高端环境监测领域技术领先，提供了大量基于LoRa、NB-IoT等低功耗广域网技术的商用解决方案。国内随着物联网技术的普及，基于STM32、ESP32等单片机的环境监测设备研究蓬勃发展，但大多集中于单节点或单一参数（如仅PM2.5）的检测。集成多参数（温湿度、PM2.5、CO2）并实现多节点组网，通过统一云平台（如OneNET）进行数据汇聚、可视化展示和远程控管的完整系统，仍是研究和应用的热点。本研究旨在设计并实现这样一个功能完备、成本可控、易于部署的多节点环境检测系统。

二、系统总体设计

（一）系统架构

本系统采用“传感节点+云平台+应用端”的三层架构。

1. 传感节点层：由多个布置在不同区域的STM32检测设备组成。每个节点独立采集本地的温湿度、PM2.5和CO2数据，并通过Wi-Fi模块将数据上传至云平台。

2. 云平台层：采用中国移动OneNET云平台作为数据中枢。它负责接收、存储和解析所有节点上传的数据，并提供丰富的API接口和可视化组件。

3. 应用层：用户通过手机App或Web浏览器访问OneNET平台提供的界面，即可实时查看所有节点的数据、状态图表，并远程设置每个节点的报警阈值。

通信流程：传感器 -> STM32 -> (UART) -> ESP8266 -> (Wi-Fi) -> OneNET云 -> (Internet) -> 手机App

（二）功能模块划分

1. 数据采集模块：负责驱动DHT11、GP2Y1051AU0F（PM2.5）、SGP30传感器进行数据采集。

2. 核心处理模块：STM32，负责节点内所有任务的调度、数据融合、逻辑判断和协议封装。

3. 人机交互模块：包括OLED显示屏（显示数据）和按键（设置参数）。

4. 报警模块：蜂鸣器，在参数超标时提供声学报警。

5. 通信模块：ESP8266 Wi-Fi模块，负责节点与互联网的连接和数据透传。

6. 电源模块：为整个节点提供稳定供电，可采用USB供电或电池供电。

三、硬件设计与实现

（一）系统硬件框架图

（文字描述各模块与STM32的连接）

• STM32F103C8T6 (主控核心)

• DHT11 (温湿度): 数据线连接至 PC15

• GP2Y1051AU0F (PM2.5): Vout引脚连接至 PA0 (ADC1_IN0)

• SGP30 (CO2/TVOC): I2C接口，SCL连接至 PB6，SDA连接至 PB7

• OLED (SSD1306) : I2C接口，与SGP30共享I2C总线（地址不同）

• 按键 : 连接至 PA1, PA2, PA3 (设置、加、减)

• 蜂鸣器 : 连接至 PB0 (通过三极管驱动)

• ESP-01S (ESP8266) : 连接至USART2 PA2(TX), PA3(RX)

（二）主控模块选型及介绍

主控芯片依然选用STM32F103C8T6。其丰富的资源（ADC、I2C、USART、多个GPIO）完美契合本系统的需求：1个ADC通道用于采集PM2.5传感器的模拟电压，1个I2C总线同时挂载SGP30和OLED显示屏，1个USART与Wi-Fi模块通信，另有充足GPIO连接其他外设。

（三）传感器模块选型及电路设计

1. DHT11温湿度传感器：同前方案，数字接口，简单可靠。

2. PM2.5传感器：选用夏普的GP2Y1051AU0F。该传感器通过检测空气中的颗粒物对红外光的散射来计算浓度，输出模拟电压信号。电压越高，浓度越高。电路设计：VCC接5V，GND接地，Vout接STM32的PA0（ADC引脚）。需注意其供电电流较大，必要时需独立供电。

3. SGP30气体传感器：一款内置MCU的数字式多像素气体传感器，可直接输出CO2浓度（等效二氧化碳，eCO2）和TVOC（总挥发性有机化合物）的原始数据及信号。采用I2C接口，精度高、稳定性好。电路设计：VCC接3.3V，GND接地，SCL和SDA分别接STM32的I2C时钟线和数据线，无需额外电路。

（四）通信模块选型及配置

选用ESP-01S模块。配置流程如下：

1. STM32通过AT指令初始化ESP8266：AT+CWMODE=1 (设置为STA模式)。

2. AT+CWJAP="Wi-Fi名","密码" (连接路由器)。

3. AT+CIPSTART="TCP","api.heclouds.com",80 (连接到OneNET的TCP服务器)。

4. 连接成功后，即可按照OneNET的HTTP或MQTT协议规范，拼接数据包并通过AT+CIPSEND指令发送。

（五）执行模块选型及驱动电路

蜂鸣器：选用有源蜂鸣器，驱动电路同前方案（STM32 GPIO -> 1k电阻 -> NPN三极管基极 -> 蜂鸣器接在集电极回路）。本系统暂不需其他执行器（如风扇），预留控制接口即可。

（六）显示模块选型及接口电路

选用0.96寸I2C接口的OLED显示屏，与SGP30传感器共享I2C总线（SGP30地址为0x58，OLED为0x78），节省IO资源。

（七）电源模块设计

系统对模拟电路（PM2.5传感器）供电质量要求较高。建议采用两级稳压：

1. 外部输入5V/2A电源。

2. 第一级：使用LM2596等DC-DC降压模块获得5V，为大功率的PM2.5传感器和继电器（若未来扩展）供电。

3. 第二级：使用AMS1117-3.3线性稳压芯片，从5V降压得到纯净的3.3V，为STM32、SGP30、OLED、ESP8266供电，以减少开关电源噪声对模拟信号采集的干扰。

四、软件设计与实现

（一）开发环境搭建

• IDE: Keil uVision5

• 库: STM32HAL库

• 协议: 使用cJSON库处理JSON数据格式，便于与OneNET平台通信。

（二）系统软件流程图

图表

代码

graph TDA[系统初始化] --> B[外设与协议栈初始化];B --> C[连接Wi-Fi并登陆OneNET];C --> D[主循环];D --> E[采集所有传感器数据];E --> F[OLED轮显节点ID与各参数];F --> G[数据判断与报警];G --> H[拼接OneNET MQTT/HTTP数据包];H --> I[通过ESP8266发送数据];I --> J[检测按键动作?];J -- 是 --> K[进入设置模式, 调整阈值];J -- 否 --> L[检测串口是否有云平台指令];L -- 是 --> M[解析指令并执行];L -- 否 --> D;K --> D;M --> D;

（三）系统初始化（代码片段）

c

// main.c
#include "sgp30.h"
#include "dht11.h"
#include "ssd1306.h"
#include "esp8266.h"ADC_HandleTypeDef hadc1;
I2C_HandleTypeDef hi2c1;
UART_HandleTypeDef huart2; // for ESP8266int main(void) {HAL_Init();SystemClock_Config();MX_GPIO_Init();MX_ADC1_Init();MX_I2C1_Init();MX_USART2_UART_Init();SSD1306_Init();SGP30_Init(); // SGP30需要初始化并调用sgp_execute_baseline()进行基线校准ESP8266_Init();// ... 读取存储的阈值while (1) {Sensor_CollectTask();   // 采集任务OLED_DisplayTask();     // 显示任务Alarm_CheckTask();      // 报警判断任务Cloud_CommTask();       // 云通信任务Key_ScanTask();         // 按键扫描任务}
}

（四）传感器数据采集与处理（代码片段）

c

void Sensor_CollectTask(void) {// 1. 读取DHT11DHT11_Read(&temperature, &humidity);// 2. 读取PM2.5 (ADC值 -> 电压 -> 浓度ug/m3)HAL_ADC_Start(&hadc1);adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);voltage = (adc_value / 4095.0) * 3.3; // 假设ADC参考电压3.3V// 使用传感器特性曲线公式或查找表将电压转换为浓度值pm25 = PM25_Convert(voltage);// 3. 读取SGP30sgp_measure_iaq_blocking_read(&eCO2, &TVOC);
}
// 注意：SGP30需要定期在空气良好的环境下调用sgp_execute_baseline()保存基线，以保证长期准确性。

（五）控制功能实现（代码片段）

c

void Alarm_CheckTask(void) {static uint32_t last_alarm_time = 0;if ( (pm25 > pm25_threshold) || (eCO2 > eco2_threshold) ||(temperature > temp_threshold) || (humidity > humi_threshold) ) {// 触发报警，蜂鸣器间歇鸣响if (HAL_GetTick() - last_alarm_time > 500) {HAL_GPIO_TogglePin(BUZZER_GPIO_Port, BUZZER_Pin);last_alarm_time = HAL_GetTick();}} else {// 环境正常，关闭蜂鸣器HAL_GPIO_WritePin(BUZZER_GPIO_Port, BUZZER_Pin, GPIO_PIN_RESET);}
}

（六）远程控制功能实现（代码片段）

c

// 数据上传函数 (基于OneNET的HTTP协议示例)
void OneNET_UploadData(void) {char json_str[256];// 按照OneNET的数据点格式拼接JSONsprintf(json_str,"{\"datastreams\":[""{\"id\":\"pm25\",\"datapoints\":[{\"value\":%.1f}]},""{\"id\":\"eco2\",\"datapoints\":[{\"value\":%d}]},""{\"id\":\"temp\",\"datapoints\":[{\"value\":%.1f}]},""{\"id\":\"humi\",\"datapoints\":[{\"value\":%.1f}]}""]}",pm25, eCO2, temperature, humidity);// 通过ESP8266发送HTTP POST请求ESP8266_HTTPPost("api.heclouds.com", "80", "/devices/你的设备ID/datapoints", json_str, "你的API-KEY");
}// 指令接收解析（在串口中断中处理ESP8266返回的数据）
void ESP8266_DataCallback(char *response) {if (strstr(response, "+MQTTSUBRECV:")) { // 假设使用MQTT并订阅了命令主题// 解析消息中的JSON，例如 {"node_id":1, "pm25_threshold":50}cJSON *root = cJSON_Parse(找到消息体的起始位置);if (root) {cJSON *id = cJSON_GetObjectItem(root, "node_id");cJSON *th_pm25 = cJSON_GetObjectItem(root, "pm25_threshold");// ... 校验node_id是否与本机匹配，然后更新阈值if (id && (id->valueint == MY_NODE_ID) && th_pm25) {pm25_threshold = th_pm25->valuedouble;// 保存到EEPROM或Flash}cJSON_Delete(root);}}
}

（七）报警功能实现（代码片段）

报警逻辑已在（五）中体现。可扩展为多级报警，例如：

• 轻度超标：蜂鸣器慢速鸣叫（每秒1次）。

• 重度超标：蜂鸣器快速鸣叫（每秒4次）。

• 同时，可将报警状态作为一个数据流上传到OneNET，在App端触发推送通知。

五、系统测试与优化

（一）测试方案

1. 节点独立性测试：单独测试每个节点功能是否正常。

2. 传感器准确性测试：使用商用空气质量检测仪作为参考，校准PM2.5和CO2传感器的读数，建立准确的转换公式或修正系数。

3. 多节点组网测试：将多个节点部署在同一区域和不同区域，观察云平台是否能正确区分并显示所有节点的数据，且数据符合各区域的环境特征。

4. 通信压力测试：模拟网络不稳定的情况，测试节点的重连机制和数据缓存机制是否可靠。

5. 续航测试（如果采用电池供电）：测量整机工作电流，评估续航时间。

（二）测试结果与分析

预计测试结果：系统能够稳定运行，各节点数据采集准确，与参考仪器读数趋势一致。云平台能实时更新各节点数据，报警功能响应及时，远程设置指令下发成功。系统满足多区域同步监测的设计要求。

（三）系统优化

1. 功耗优化：采用中断唤醒机制，让节点大部分时间处于休眠模式，定时（如每5分钟）唤醒采集并上传一次数据，极大延长电池寿命。

2. 数据可靠性优化：增加本地数据缓存（如SD卡或FRAM），在网络中断时暂存数据，网络恢复后重传，防止数据丢失。

3. 协议优化：采用MQTT协议替代HTTP，具有更低的带宽开销和实时性，更适合物联网场景。

4. 自动识别与注册：为每个节点分配唯一ID，开发配套的上位机工具，实现新节点自动被云平台发现和注册，简化部署流程。

六、结论与展望

（一）未来展望

1. 传感器融合与AI预测：结合多个传感器的历史数据，利用机器学习算法实现对环境质量的预测（如预测CO2浓度上升趋势并提前通风）。

2. 执行器联动：与新风系统、空气净化器、空调等设备联动，根据环境数据自动控制其开关，形成闭环控制，打造真正的智能环境系统。

3. 低功耗广域网升级：对于部署范围更广的应用（如智慧城市、大型仓库），可将Wi-Fi模块替换为LoRa或NB-IoT模块，实现远距离、低功耗的通信。

4. 三维可视化：将云平台数据与建筑信息模型（BIM）或地图结合，实现环境数据在三维空间中的可视化展示，一目了然地定位问题区域。

本回答由 AI 生成，内容仅供参考，请仔细甄别。

基于STM32的智能宠物屋系统设计 "1、使用重量传感器进行投喂实物的计量，APP或按键设置阈值，用于控制是否投喂 2、DS18B20时钟定时，实现定时投喂功能，按键或APP设置定时时间 3、舵机控制食物阀门，用于模拟投喂， APP或按键手动控制 4、MQ135检测空气质量， APP或按键设置阈值，异常自动开启风扇并蜂鸣器报警 5、一键铲屎功能：使用步进电机进行模拟铲屎，再执行一个舵机模拟进行倒屎。 6、CO2传感器监测环境的CO2浓度，若超过阈值，则自动开启风扇并报警 7、OLED显示屏显示设备状态以及剩余食物重量等数据 8、ESP8266模块进行无线联网，实现APP远程控制与监测功能"

好的，这是一个非常有趣且综合性强的项目。基于您的要求，我将为您撰写一份详细的《基于STM32的智能宠物屋系统设计》方案。

基于STM32的智能宠物屋系统设计

一、引言

（一）研究背景及意义

随着社会的发展和生活节奏的加快，宠物已成为许多家庭的重要成员。然而，宠物主人时常因工作、旅行等原因无法长时间在家，宠物的饮食、健康和环境卫生成为一大困扰。传统的宠物喂养方式存在投食不定量、不及时，环境脏乱差等问题，严重影响宠物的健康和幸福感。因此，开发一款集自动定时定量投喂、环境监测与净化、远程监控与控制于一体的智能宠物屋系统具有重要的现实意义。本项目基于STM32单片机，融合传感器技术、执行器控制和物联网技术，旨在为宠物提供一个智能化、自动化、健康舒适的生活环境，同时为宠物主人提供一种便捷、安心的远程看护方式。

（二）国内外研究现状

目前，智能宠物设备市场正在快速增长。国外已有如Petkit、SureFeed等品牌推出了智能喂食器、智能猫砂盆等产品，功能较为成熟，但价格昂贵。国内相关产品多集中于智能喂食器单一功能，且低端产品存在可靠性差、控制精度低等问题。将投喂、环境监测、清洁等功能集成于一体的综合性智能宠物屋系统仍是市场空白和技术难点。现有的解决方案在传感器融合、执行机构精准控制、系统稳定性以及用户体验方面仍有较大提升空间。本研究旨在设计一个高集成度、高可靠性、成本可控的综合性解决方案。

二、系统总体设计

（一）系统架构

本系统采用“感知-决策-执行-云控”的闭环控制架构。

• 感知层：由重量传感器、DS18B20、MQ135、CO2传感器等组成，负责采集食物重量、时间、空气质量等数据。

• 决策层：STM32主控制器，负责处理传感器数据、执行用户设定的逻辑（定时、阈值判断）、并生成控制指令。

• 执行层：由舵机、步进电机、风扇、蜂鸣器等组成，负责完成投食、清洁、通风等物理操作。

• 云控层：基于ESP8266和云平台（如OneNET、阿里云），实现手机App与宠物屋的远程双向通信，完成状态监测和指令下发。

（二）功能模块划分

1. 投喂控制模块：重量传感器计量 + DS18B20定时 + 舵机执行。

2. 环境监测模块：MQ135（空气质量） + CO2传感器 + 风扇 + 蜂鸣器。

3. 清洁执行模块：步进电机（模拟铲屎） + 舵机（模拟倒屎）。

4. 人机交互模块：OLED显示屏 + 按键。

5. 通信模块：ESP8266 Wi-Fi模块。

6. 电源管理模块：为各模块提供稳定供电（特别注意电机驱动电源）。

三、硬件设计与实现

（一）系统硬件框架图

各模块与STM32的连接关系表：

（二）主控模块选型及介绍

主控芯片选用STM32F103C8T6。其丰富的外设资源完美匹配本项目需求：

• 多个定时器(TIM)：用于产生多路PWM信号控制舵机。

• ADC：用于采集MQ135的模拟信号。

• I2C：同时连接OLED和SCD30 CO2传感器。

• UART：与ESP8266和MH-Z19B CO2传感器通信。

• 充足的GPIO：用于驱动步进电机、按键输入等。

（三）传感器模块选型及电路设计

1. HX711称重模块：24位高精度ADC，专用于称重传感器。电路简单，VCC接5V，DT和SCK接STM32两个GPIO。

2. DS18B20：单总线数字温度传感器，用于定时功能（利用其高精度计时），也可监测环境温度。数据线需上拉4.7K电阻至3.3V。

3. MQ135气体传感器：对氨气、硫化物、苯系蒸汽等敏感，可用于检测宠物粪便产生的异味。输出模拟电压，接STM32 ADC。

4. CO2传感器：推荐使用MH-Z19B（UART接口）或SCD30（I2C接口），直接输出CO2浓度值，比MQ135更准确专一。

（四）通信模块选型及配置

选用ESP-01S模块。配置流程与之前类似，通过AT指令连接Wi-Fi并接入云平台（如OneNET/MQTT）。本项目数据交互更复杂，强烈建议使用MQTT协议，以实现高效的远程控制（如手动投喂、一键清洁）和状态上报。

（五）执行模块选型及驱动电路

1. 舵机：选用SG90（9g微型舵机），控制食物仓和粪仓的阀门。直接由STM32的PWM引脚通过信号线控制。

2. 步进电机：选用28BYJ-48（5V减速步进电机）模拟铲屎动作。必须通过ULN2003驱动板驱动，ULN2003的输入IN1-IN4接STM32的4个GPIO输出。

3. 风扇：选用5V直流风扇。使用N沟道MOS管（如IRF520）进行驱动。STM32的GPIO（PB1）连接MOS管栅极，漏极接风扇负极，风扇正极接5V，源极接地。GPIO输出高电平时MOS管导通，风扇启动。

（六）显示模块选型及接口电路

选用0.96寸I2C接口的OLED显示屏，用于显示时间、食物重量、CO2浓度、AQI、下一次投喂时间等状态信息。

（七）电源模块设计

本项目电源设计至关重要。执行机构（特别是步进电机和舵机）工作时电流较大，会对数字电路造成严重干扰。

• 建议采用双电源方案：

  • 一路5V电源（如5V/3A适配器）：专门为步进电机、舵机、风扇供电。

  • 一路5V转3.3V LDO（如AMS1117-3.3）：从同一5V适配器取电，转为3.3V后为STM32、传感器、ESP8266、OLED供电。

• 务必在两组电源的VCC和GND之间并联一个大电容（如1000μF），以缓冲电机启动时的电压波动。

• 数字地和电机地最后单点共地，以减少干扰。

四、软件设计与实现

（一）开发环境搭建

• IDE: Keil uVision5

• 库: STM32HAL库

• 协议: cJSON库处理JSON数据，MQTT协议与云平台通信。

（二）系统软件流程图

（三）系统初始化（代码片段）

// main.c
#include "hx711.h"
#include "ds18b20.h"
#include "stepper.h"
#include "servo.h"
#include "ssd1306.h"
#include "esp8266_mqtt.h"TIM_HandleTypeDef htim2; // For Servo PWM
UART_HandleTypeDef huart1; // For ESP8266
UART_HandleTypeDef huart3; // For MH-Z19B (if used)
I2C_HandleTypeDef hi2c1; // For OLED & SCD30int main(void) {HAL_Init();SystemClock_Config();MX_GPIO_Init();MX_TIM2_Init(); // PWM for ServosMX_USART1_UART_Init();MX_USART3_UART_Init();MX_I2C1_Init();HX711_Init();SERVO_Init(&htim2);STEPPER_Init();SSD1306_Init();ESP8266_MQTT_Init();// Start PWM for servosHAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1);HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_2);while (1) {// Main loop tasks}
}

（四）传感器数据采集与处理（代码片段）

void Sensor_ReadTask(void) {// 1. 读取重量 (需进行单位转换和去皮)current_food_weight = HX711_GetWeight() - tare_weight;// 2. 读取DS18B20获取高精度时间（用于定时）// 实际应用中，更推荐用STM32的RTC，此处DS18B20主要用作温度补偿和备用计时DS18B20_ReadTemp(&temperature);// 3. 读取MQ135 (ADC值 -> 电压 -> 空气质量指数AQI)mq135_adc = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);// ... 转换为AQI百分比// 4. 读取CO2传感器 (以MH-Z19B为例, UART指令读取)MHZ19B_ReadCO2(&co2_concentration);
}

（五）控制功能实现（代码片段）

// 自动投喂函数
void Auto_Feed(void) {if (current_food_weight < food_weight_threshold) {Buzz_Alarm(1); // 蜂鸣提醒食物不足return;}SERVO_Open(Food_Servo); // 打开食物阀门while (1) {current_food_weight = HX711_GetWeight();// 假设投喂目标为target_gram克if ( (initial_weight - current_food_weight) >= target_gram ) {break;}HAL_Delay(50);}SERVO_Close(Food_Servo); // 关闭阀门MQTT_Publish("food_weight", current_food_weight); // 上报剩余重量
}// 一键清洁函数
void Cleanup_Task(void) {// 步进电机正转若干圈，模拟铲屎动作STEPPER_Move(2048, 1); // 假设28BYJ-48走2048步为一圈HAL_Delay(1000);// 另一个舵机打开，模拟倒屎SERVO_Open(Waste_Servo);HAL_Delay(3000);SERVO_Close(Waste_Servo);// 步进电机反转返回原位STEPPER_Move(2048, 0);
}

（六）远程控制功能实现（代码片段）

// MQTT消息回调函数
void MQTT_Callback(char* topic, char* payload) {cJSON *root = cJSON_Parse(payload);if (root == NULL) return;// 解析远程指令cJSON *cmd = cJSON_GetObjectItem(root, "command");if (cJSON_IsString(cmd)) {if (strcmp(cmd->valuestring, "manual_feed") == 0) {Manual_Feed(); // 执行手动投喂} else if (strcmp(cmd->valuestring, "start_clean") == 0) {Cleanup_Task(); // 执行清洁} else if (strcmp(cmd->valuestring, "set_feed_time") == 0) {// 解析时间参数并设置定时器cJSON *time_json = cJSON_GetObjectItem(root, "feed_time");// ... 设置新的投喂时间}}cJSON_Delete(root);
}

（七）报警功能实现（代码片段）

void Env_CheckTask(void) {static uint32_t last_check = 0;if (HAL_GetTick() - last_check > 5000) { // 每5秒检查一次last_check = HAL_GetTick();if ( (co2_concentration > co2_threshold) || (aqi > aqi_threshold) ) {HAL_GPIO_WritePin(FAN_GPIO_Port, FAN_Pin, GPIO_PIN_SET); // 开风扇Buzz_Alarm(2); // 报警音提示MQTT_Publish("alert", "Environment abnormal!"); // 上报报警信息} else {HAL_GPIO_WritePin(FAN_GPIO_Port, FAN_Pin, GPIO_PIN_RESET); // 关风扇}}
}

五、系统测试与优化

（一）测试方案

1. 单元测试：单独测试每个执行机构（舵机开合角度、步进电机行程、称重精度、风扇启停）。

2. 功能测试：

   • 投喂测试：设置不同重量阈值和定时时间，检验投喂准确性和准时性。

   • 环境响应测试：喷洒酒精模拟异味，吹气模拟高CO2，测试风扇和报警是否正常启动。

   • 清洁测试：测试一键清洁功能的完整性和可靠性。

3. 压力测试：模拟网络中断、电源波动等情况，测试系统稳定性和恢复能力。

4. 用户体验测试：测试App各项控制指令的响应速度和成功率。

（二）测试结果与分析

预计测试结果：系统能实现精准定时定量投喂，对环境恶化响应及时，清洁动作执行完整。远程控制功能稳定，用户体验良好。称重模块可能需软件滤波以提高读数稳定性，电机动作时需电源隔离以防止系统复位。

（三）系统优化

1. 软件滤波：对HX711的重量数据采用“滑动平均滤波”或“卡尔曼滤波”，减少振动等干扰。

2. 异常处理：增加状态自检机制（如舵机卡死检测、食物耗尽检测），并通过MQTT主动上报故障信息。

3. 低功耗设计：在无操作时段，让STM32和模块进入睡眠模式，定时唤醒检查，降低待机功耗。

4. 本地日志：添加SPI Flash芯片，本地存储投喂记录、环境数据日志，网络恢复后同步至云端。

六、结论与展望

（一）未来展望

1. 计算机视觉集成：增加摄像头模块（如ESP32-CAM），集成AI图像识别算法，实现宠物身份识别（防止多宠抢食）、进食行为分析、远程视频监控与互动。

2. 智能决策：根据宠物以往的进食量和活动量数据，利用机器学习算法，自动优化投喂量和投喂时间，实现个性化喂养。

3. 生态互联：与智能家居系统（如小米米家、Apple HomeKit）打通，实现更丰富的联动场景（如“宠物出门后自动启动清洁”）。

4. 模块化设计：将系统设计为模块化结构，用户可以根据需求（养猫/养狗）和预算自由组合功能模块。

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