【《一种基于STM32单片机的Wi-Fi智能居家环境监测系统设计》7200字（论文）】

PAGE\*Arabic9一种基于STM32单片机的Wi-Fi智能居家环境监测系统设计目录摘要 1第1章绪论 31.1智能家居的发展现状及趋势 31.2本设计的研究目的及研究意义 3第2章总体方案和硬件设计 52.1总体方案设计 52.2MCU及主要元器件介绍 52.2.1STM32F103C8T6 52.2.2OLED12864 62.2.3光敏电阻 62.2.4气体传感器系列 62.2.5电机驱动芯片ULN2003a 72.3硬件模块设计 72.3.1STM32芯片主电路模块 72.3.2光强传感器电路 82.3.3气体传感器模块系列 92.3.4温湿度数字传感器模块 102.3.5步进电机驱动模块 102.3.6报警器模块 112.3.7按键模块 112.3.8Wi-Fi模块 12第3章软件设计 133.1主程序设计 133.2主要硬件驱动程序 133.2.1按键查询驱动 133.2.2界面显示与操作驱动 143.2.3DHT11驱动 153.3数据采集、处理和传输 163.3.1ADC数据采集与转换 163.3.2机智云数据传输 19第4章仿真和实物测试 214.1仿真 214.2实物测试 224.2.1实物组装和调试 224.2.2移动终端测试 234.2.3传感器报警测试 244.2.4按键测试 25第5章结论 265.1结论 265.2不足与展望 26参考文献 27附录一 29摘要居家环境监测作为智能家居的重要环节使得家庭生活变得更加安全、便捷、高效和舒适，能极大地提高家庭生活质量。本设计通过传感器获取环境参数信息，并发送到STM32F103微处理器。系统收到信息并处理后会将数值显示在OLED屏幕上。当参数数值超出阈值，则通过蜂鸣器警示用户；当光强低于预定值时，系统会点亮LED并驱动步进电机拉动窗帘。此外，系统配备的Wi-Fi模块能将室内环境监测状况第一时间发送至用户手机终端。经测试表明，本系统性能稳定可靠、人机界面友好，为用户提供安全服务的同时，实现了系统智能化管理。关键词：STM32F103；传感器；数据收集与处理；Wi-Fi第1章绪论1.1智能家居的发展现状及趋势自从1984年起，全球第一栋智能型建筑率先出现在美国，至此以后，智能家居的实现方案陆续被提出[1]。智能家居就是利用先进的网络通信和计算机控制等技术将家居中的各种家用电器联接起来，统一管理、实时监测、远程控制和信息共享，营造安全、舒心、方便和高效率的居家环境。目前智能家居已经发展到第4代，即智能终端基于嵌入式、Wi-Fi等技术，移动终端基于“云”技术，并可根据客户不同的需要来实现各种功能[2]。Wi-Fi又被称为“移动热点”，实质上就是IEEE802.11b标准，它能以无线方式将个人终端设备与网络进行连接。有数据表明Wi-Fi技术虽然在市场中的占比下降，但仍势头强劲[3]。与早期的使用住宅网关的智能家居系统不同，机智云极大地降低了网关设计的复杂度，所以利用云平台介入的方法管控家居设备更加明智[4]。同时将手机作为移动监测终端，通过机智云平台进行信息的接收、存储与发送，最终实现手机应用与智能设备之间的通信，完成居家环境远距离监测。我国智能家居行业刚刚兴起，市场不完善，用户需求不明朗。但随着科技的进步、资源的涌入，家电制造商和互联网企业陆续进入智能家居行业，市场风向和用户需求的研究越来越被重视，很多智能家居品牌异军突起，堪称行业翘楚。1.2本设计的研究目的及研究意义在日常生活环境中，一氧化碳泄露、室内空气污染物聚积、紫外线直射和温湿度剧烈变化等随时都有可能发生，如何实时监测、报警并处置将直接影响着人的生命财产安全。所以居家环境监测作为智能家居的重要一环，将直接影响居住者的安全和舒适。因此，市场上各种环境检测仪器随之产生。然而这些仪器要么结构简单、功能单一，缺乏对整体环境参数的监测，要么组网困难，操作性不大。因此针对当今居家环境检测产品存在的缺陷和客户的迫切需要，实现居家环境监测系统的全面化、实时化、远距离化刻不容缓。与市面上成品的最大区别在于，本设计的完成的居家环境监测系统囊括了对环境气体参数、光强和温湿度的监测，同时系统接入Wi-Fi更便于人们在日常生活中全天候监测并第一时间发现室内环境中的各种安全隐患与环境污染，确保群众生命财产安全、提高全民健康指数。总体方案和硬件设计2.1总体方案设计本设计采用的MCU为STM32F103C8T6微控制器，线下终端设备采集环境参数、显示参数数值和报警等，手机APP实时监测，最终实现系统在不同环境下正常工作。系统的工作过程为：MCU启动后，首先初始化硬件，然后将传感器模块采集的环境参数交由ADC进行转换。转换后的数据经MCU计算后，一方面会与阈值进行比较并对报警设备、补光灯和步进电机的状态进行控制，另一方面根据机智云协议由Wi-Fi模块发送到移动设备端并显示到APP界面上，使用户可以实时监测居家环境。图1为系统总体框图。按键温湿度传感器按键温湿度传感器LED烟雾传感器LED烟雾传感器蜂鸣器一氧化碳传感器蜂鸣器一氧化碳传感器Wi-Fi模块Wi-Fi模块OLED屏空气质量传感器OLED屏空气质量传感器步进电机模拟拉窗帘光强传感器机智云APP步进电机模拟拉窗帘光强传感器机智云APP图1系统总体框图2.2MCU及主要元器件介绍2.2.1STM32F103C8T6STM32F103C8T6在STM32F10xxx系列中功能强大且成本不高，使用的Cortex-M3内核，内置128KByte的Flash和20KByte的SRAM，端口众多，外设丰富[5]。其外观如图2所示。图2STM32F103xx增强型外观图功能概述[6]：（1）Flash存储器用来存放代码和data（数据）。内置的SRAM，CPU能随时访问（R/W）。（2）STM32F103C8T6内置嵌套向量中断控制器（NVIC），用于配置中断模式。（3）外部中断/事件控制器（EXTI），用于检测中断/事件发生并产生中断/事件请求。（4）时钟：上电复位后，内部RC振荡器被选为系统时钟，之后可以配置成外部时钟源。STM32的时钟树功能完善，不同外设的时钟可自行配置。（5）Boot模式：有三种，本设计选择从Flash进入这种模式。2.2.2OLED12864OLED即有机发光二极管，具备对比度较高、整体轻薄、视角广、能耗低等特点[7]。OLED屏控制指令丰富，这些指令可以控制OLED的显示颜色、显示位置、亮度等。OLED屏操作简单且功能强大，可以显示汉字、英文、图形。这里使用的是分辨率为128*64、屏幕尺寸为0.96寸的黄蓝双色OLED显示屏模块。2.2.3光敏电阻光敏电阻在无光或光强很低时，暗电阻能达1.5MΩ，而随着光强增高，亮电阻值能降至1KΩ以下。其主要用于自控电路、光控照明等场合。2.2.4气体传感器系列本设计使用的气体传感器分别是MQ-2，MQ-7，MQ-135，表面使用的敏感性物质是金属氧化物半导体，部分参数见表1。工作时，上述传感器的表面物质与被测气体发生反应而使器件的体电阻降低[8]。表1MQ系列传感器部分参数表型号MQ-2MQ-7MQ-135可测物质可燃性气体、烟雾CONH3、硫化物、苯系蒸汽等浓度范围300~10000ppm（可燃气体）10~1000ppm（CO）10~1000ppm（NH3、C7H8、H2S）2.2.5电机驱动芯片ULN2003aULN2003a由多个达林顿管复合而成，因其放大倍数高，能带动多个负载，广泛应用于各种驱动电路。如图3所示，ULN2003a是内部结构是达林顿管的阵列（达林顿管由两个三极管串联，所以放大倍数是两个管子放大倍数的乘积[9]）。图3ULN2003a内部构造图2.3硬件模块设计2.3.1STM32芯片主电路模块该主电路需要提供两种不同电压的电源：5V为STM32芯片、OLED屏幕等供电，3.3V为传感器等供电。电源经USB-mrico口后输出5V电压，一路提供给需要的器件，一路经稳压模块（使用ME6211-3.3VCOMS稳压器，VOUT=3.3V）输出3.3V电压。具体电路见图4。图4STM32芯片主电路图系统的外部时钟源使用8MHz的无源晶振连接在STM32芯片的OSCIN和OSCOUT引脚上。主电路上的按键用于系统复位。为了方便下载代码，需要留出一个SWD接口用于在线调试，为了方便调试代码、指示运行状态等，设置了两个LED指示灯。2.3.2光强传感器电路光敏电阻上的电压随光强的变化而发生改变[10]。GPIO口PA4作为模拟输入，接收光敏传感器上变化的电压，具体电路见图5。图5光敏传感器电路图当光强升高时，R4电阻值降低，光敏传感器的分压UOUT随之降低，PA4模拟输入也随之降低，成反比关系。光强降低时，光照强度与PA4模拟输入也成反比关系。2.3.3气体传感器模块系列以MQ-2传感器为例，MQ-2传感器有六个端口，其中引脚2为模拟电压信号输出端。图6是传感器模块的电路。图6气体传感器模块电路本设计引脚PA7直接获取传感器输出的模拟电压，不再经过比较器LM393处理。根据MQ系列气敏传感器的工作原理（见第2章元器件介绍），随着气体浓度的升高，其体电阻值降低，本质上就是滑动变阻器。其具体关系见以下公式。（1）其中UOUT是传感器输出的模拟电压信号，VCC为电源电压，Rs属于传感器的体电阻。2.3.4温湿度数字传感器模块DHT11传感器出厂前已经过校准，其量程湿度为20～90%RH，温度为0～50℃[11]。DHT11模块连接方式如图7所示。图7DHT11模块电路图2.3.5步进电机驱动模块步进电机能将脉冲电信号转换成角度来转动。永磁式步进电机28BYJ-48因性能高、价格低而广泛应用于消费型产品，本设计所采用的就是这款。输入脉冲的个数的变化将导致步进电机的角位移发生改变。MCU引脚的电压经ULN2003a增益，可以驱动步进电机，基本电路见图8。图8步进电机驱动电路图从步进电机外观和内部结构示意图[12]（见图9）可知，步进电机的四相都接到驱动电压，其中的橙、黄、粉、蓝线，依次是A、B、C、D四相，若想将某一相导通转动，将其接地即可。图9步进电机外观和内部结构示意图ULN2003a的OUT引脚与步进电机的四个相连接，当输入低电平时，由于OUT的高阻态，与地之间形成了开路，从而关闭电机；反之导通，运行电机。因此可以把ULN2003a理解为一个开关，根据输入IN脚的电压按一定方式的交替开合，可实现步进电机的转动。2.3.6报警器模块本设计采用的是自激型蜂鸣器，利用三极管增益就可以直接驱动。若想使蜂鸣器响动，则在三极管基极上输入高电平，反之输入低电平[13]。电路如图10所示。图10报警器模块电路图2.3.7按键模块如图11所示，按键模块成员一共有四个，KEY1、KEY2、KEY3和KEY4。图11按键模块电路图按下KEY2，切换显示界面。按下KEY1，进入系统参数设置页面。再次按下KEY1，可以选择不同参数类型。KEY3和KEY4分别是增减阈值。退出界面则按下KEY2。2.3.8Wi-Fi模块ESP8266-01SWi-Fi模块虽然个头不大，但集成了微型MCU，板载天线。它作为网络层，支持无线网络协议，能将串口电平转换成符合无线网络通信标准的电平。未入网的电子设备插入该模块，即可联入internet，是本设计实现远程居家环境监测不可或缺的部分。

第3章软件设计3.1主程序设计当系统启动并初始化后，MCU开始进行工作，首先从存储器中读取阈值等常量；采集的环境信息经MCU处理后，用户可以在OLED屏幕上观察到，并可以通过按键改变其阈值；一方面MCU会比较实时环境参数数值与其阈值并做出反应，如驱动步进电机模拟拉动窗帘等，另一方面MCU通过Wi-Fi模块发送数据包到机智云APP以完成用户对室内环境的实时监测。主程序流程如图12。开始开始MCU初始化MCU初始化从FLASH中读取参数从FLASH中读取参数实时采集数据，并显示在OLED上实时采集数据，并显示在OLED上Y改变阈值Y改变阈值改阈值操作改阈值操作NN比较参数实时数值与阈值，并做出动作比较参数实时数值与阈值，并做出动作

将数据发送到终端上的机智云APP将数据发送到终端上的机智云APP

图12主程序流程图3.2主要硬件驱动程序3.2.1按键查询驱动因为C语言是顺序执行的，所以能通过设置if语句的先后位置来设置按键的优先级，这里按键查询函数响应优先级是KEY0>KEY1>KEY2>KEY3。通过改变mode变量值来控制是否连续按下，mode为0不支持连续按，mode为1支持连续按。具体见图13按键查询流程图。开始开始key_up=1key_up=1Ymode==1Ymode==1key_up=1

key_up=1

NNNNkey_up==1&&有按键按下key_up==1&&有按键按下YY去抖动，key_up=0去抖动，key_up=0N按键按下N按键按下YY返回结果返回结果

key_up=1key_up=1

结束结束图13按键查询流程图3.2.2界面显示与操作驱动为了清楚地显示各个环境参数的数值，字体大小设为16，但需要分成两个界面才能全部显示。增减阈值界面的字体设为12，只需一个界面就可全部显示。具体流程见图14。开始开始查询按键查询按键NKEY0第奇数次按下显示界面2NKEY0第奇数次按下显示界面2YY显示界面1显示界面1NNY阈值增减界面KEY3按下Y阈值增减界面KEY3按下obj=0obj=0KEY3按下YKEY3按下YYYobj>7Nobj>7NNN选择要更改的阈值选择要更改的阈值不同阈值加减操作不同阈值加减操作oobj++NNYKEY2按下YKEY2按下图14界面显示与操作3.2.3DHT11驱动DHT11传感器与MCU之间采用单总线进行通信，仅使用一个GPIO口。传感器将采集到的温湿度数据共计40位单次传送给MCU，数据校验则采用校验和的方式。DHT11工作时序见图15[14]。图15界面显示与操作由DHT11工作时序图得到的DHT11读取数据流程见图16。开始开始主机拉低等待18us主机拉低等待18us总线上拉电阻拉高主机等待20~40总线上拉电阻拉高主机等待20~40usNN从机是否应答从机是否应答YY从机发出低电平持续80us从机发出低电平持续80us从机发出高电平持续80us从机发出高电平持续80us读取数据

读取数据

数据检验数据检验

结束结束图16DHT11读取数据流程3.3数据采集、处理和传输3.3.1ADC数据采集与转换ADC即模数转换器，S TM32F103C8T6有3个ADC，分别是ADC1，ADC2，ADC3。这里使用的是ADC1里的通道4、5、6和7，依次对应PA4、PA5、PA6和PA7。S TM32F103C8T6的ADC是12bit的，转换后的结果存储在16位数据寄存器中[15]。这里有4个通道，可以使用间断模式，间断配置必须每个通道分为1组，即触发一次，只转换1组即1个通道。读取结果后，再触发下一次。ADC采样具体流程见图17。开始开始ADC初始化ADC初始化启动ADC采样启动ADC采样读取通道ch读取通道chAD转换AD转换返回转换结果

NN转换结束转换结束YY结束结束图17ADC采样流程图对于MCU而言，它需要一个输入的基准电压，用于和待测的模拟电压做对比。设计电路时为了方便，将三个MQ传感器和一个光敏传感器都连接在5V电压上，即基准电压都是5V，且MCU的ADC是12位的，即5V被平均分成了4096份，可得转换后的数值为：（2）MQ通常用来做定性分析，并不十分准确，而要取得一个接近真实值的值，在结果要求不是非常精确的情况下，本论文做了曲线拟合，进行了定量分析。这里对MQ-2烟雾传感器模块进行分析，图18是MQ-2传感器灵敏度特性曲线[16]。图18MQ-2传感器灵敏度特性曲线从LPG曲线上，大致取几组数据，通过在线曲线拟合方程软件，选择幂函数拟合，得到以下拟合曲线，MQ-2传感器灵敏度曲线拟合见图19。图19MQ-2灵敏度曲线拟合图由输出和转换公式,和上述的拟合曲线方程式，Ro就是在洁净空气下Rs的值,这里取35KΩ。推导出（3）程序中使用C语言标准库函数pow(x,y)[17]求ppm，这个函数用来计算x的y次方，ppm=pow(35*21.87/(4096/OUTDATA-1),1.0/0.48)。MQ-7和MQ135的曲线拟合和推导过程与MQ-2类似，这里不再赘述，直接列出函数：MQ-7：ppm=pow(35*2.45/(4096/OUTDATA-1),1.0/0.109)MQ-135：ppm=pow((34.88*OUTDATA/4096)/(1-OUTDATA/4096),(1.0/0.3203))若转换后的气体数值高于设定的阈值，报警器鸣响，指示灯闪烁；若转换后的光强值不等于设定的上、下阈值，就驱动步进电机模拟拉、开窗帘。传感器工作流程见图20。开始开始采集传感器数值采集传感器数值Y数值异常采取动作或报警Y数值异常采取动作或报警NN显示显示结束结束图20传感器工作流程图3.3.2机智云数据传输本设计将机智云平台作为网络层，架构如图21所示。应用组移动终端应用组移动终端网络组机智云平台网络组机智云平台设备控制、数据处理、人机界面等设备控制、数据处理、人机界面等设备组组设备组组MCUMCU传感器m传感器2传感器1传感器m传感器2传感器1图21云平台系统架构图为让ESP8266-01SWi-Fi模块与机智云端互相通信，向芯片中烧写机智云固件程序。网络上常见具体的烧录方法，在这里就不在赘述。固件烧录完成后，用户注册机智云账号，进入开发者中心创建自己的产品，填写项目名称、技术方案及通信方式选择Wi-Fi。创建云端数据点用来体现产品的各种功能，采集到的数据会存储到云端数据点，即一个结构体中，通过烧录了机智云固件的ESP8266模块经过Wi-Fi传输到终端上的机智云APP中，并显示到屏幕上，云端数据点的具体内容见附录程序。第4章仿真和实物测试4.1仿真Proteus8.9里面的STM32F103xx仿真芯片有6个，这里用R6代替C8仿真。在软件中并无OLED，所以屏幕采用LCD，型号为UG-2864HSWEG01，I2C通信。根据第2章光强和气敏传感器原理，采用变阻器（电位器）替代传感器进行硬件电路和软件的仿真调试。在Proteus8.9软件环境下选择器件，画好的电路见图22。图22Proteus仿真原理图程序在KeilVision5上编译成功之后，在Proteus中选中单片机STM32F103R6，将编译生成的.HEX文件烧录到MCU中，在Proteus中运行仿真，查看仿真现象，此时LCD显示环境参数。LCD显示页面如图23所示。按下按键KEY0可以切换显示内容。图23LCD显示页面按下按键KEY3，可以调整环境参数阈值，阈值增减界面见图24。再次按下按键KEY3，切换不同环境参数。选定要改变阈值的环境参数，按下按键KEY1，调高阈值，每按一下增加50；按下按键KEY2，降低阈值，每按一下减少50。如果想要退出界面，按下按键KEY0。图24阈值增减界面当采集到的光强数值小于设定的光强阈值，补光灯打开，步进电机转动（模拟打开窗帘）；反之，补光灯熄灭，步进电机转动（模拟关闭窗帘）。其他环境参数采集与处理与之类似，这里不再赘述。4.2实物测试基于STM32F103C8T6的智能居家环境监测系统经过系统化的硬件和软件开发之后，将它们有机组合就可运行。但如果程序出错或焊接的电路板有问题就有可能达不到最初的设计目的，就要进行软硬件调试来解决问题。4.2.1实物组装和调试元器件经插装、焊接之后的电路如图25所示。图25智能系统实物图其中标号1是气体监测模块，标号2是电机驱动模块，标号3是温湿度模块，标号4是OLED显示模块，标号5是MCU主电路模块，标号6是Wi-Fi模块，标号7是报警模块，标号8是光强监测模块，标号9是按键模块，标号10是补光灯模块。硬件调试常用的工具有多用表、带灯放大镜等。硬件调试步骤：（1）线路检测：根据电路原理图，使用多用表检查线路、元器件和焊盘等是否正确。（2）上电检测：给设计接入5V电源，使用万用表来观察电压、电流，元器件若有严重发热、电压异常等特殊情况，必须及时拔掉电源进行检查。（3）完成以上步骤，测试基本结束。4.2.2移动终端测试在手机等移动终端上下载机智云APP，连接监测设备后，软件界面上实时显示监测数据，并且可以调整传感器阈值，测试结果见图26。图26移动终端测试图4.2.3传感器报警测试使用打火机释放气体并对准MQ-2传感器探头，观察下面现象:1、OLED屏幕显示一氧化碳数值不断攀升，图27所示是数值前后差别。图27一氧化碳数值变化图2、蜂鸣器鸣响。3、LED指示灯（MCU模块）闪烁。当光照强度、烟雾浓度和空气质量超出阈值时，系统同样会做出一系列反应，在这里不再赘述。4.2.4按键测试如图28所示，板上的按键一共有四个，依次是KEY1、KEY2、KEY3和KEY4。图28按键模块图其中，按下KEY1是进入系统参数设置页面，如图29所示。图29系统参数设置页面再次按下KEY1，可以选择不同参数类型。KEY3和KEY4分别是增减参数。按下KEY2则退出界面。第5章结论本设计采用MCU为STM32F103C8T6，实现了一个居家环境监测系统。5.1总结与单一的检测仪器不同，本设计功能丰富、操作简单、数据直观、运行可靠和扩展方便。检测气体浓度、光照强度主要通过片内的A/D转换通道与外部传感器进行连接，将电压信号转换成数字信号，再由MCU处理；温湿度监测使用输出数字信号的传感器。在Wi-Fi通信和移动端软件方面，采用机智云提供的简易实用的方案，使用户得以实时监测室内环境，缩短了设计时间，节省人力物力。一般的居家环境监测设计只是使用MQ系列传感器对环境参数做定性分析，本设计则根据传感器灵敏度特性图做了曲线拟合，进行定量分析，提高了系统的灵敏性和精确性。5.2不足与展望该设计的换代升级、数据处理、环境适应能力和抗干扰能力等方面还有待改进和优化，希望通过以后嵌入式的深入学习不断改进