基于STM32的多目标追踪与环境自调节智能风扇系统

基于STM32的多目标追踪与环境自调节智能风扇系统摘要随着智能家居理念的普及和人们对室内居住舒适度要求的不断提升，传统家用风扇存在的送风模式固定、调节依赖人工、无法适配人员分布与环境变化等痛点日益凸显，既难以满足个性化的使用需求，也造成了不必要的能源消耗。本文设计了一款基于STM32F103微控制器的多目标追踪与环境自调节智能风扇系统，实现了人员位置精准追踪、环境参数自适应调节、多模式智能控制与远程交互等核心功能。系统集成DHT11温湿度检测、摄像头位置检测、光敏电阻环境光检测等组件，可根据室内温湿度自动调节风扇转速与加湿设备启停，通过摄像头检测实现“风吹人”与“风避人”两种送风模式，结合环境光与人员存在信号实现照明自动控制。通过ESP8266组件实现与手机APP的无线通信，完成远程参数设置与状态监控，OLED显示屏提供本地实时数据反馈。实际测试表明，系统温湿度检测误差控制在±1℃/±3%RH以内，人体位置检测准确率超过95%，核心功能响应延迟小于1秒，可连续数天稳定运行。该系统适配家居、小型办公等多种室内场景，兼具实用性与低功耗特性，为传统风扇的智能化升级提供了一套可行的技术方案，对推动小型家居设备的智能化发展具有一定的参考价值。关键词智能风扇；STM32；多目标追踪；环境自调节；人体感应；无线控制

AbstractWiththepopularizationoftheconceptofsmarthomeandthecontinuousimprovementofpeople'srequirementsforindoorlivingcomfort,thepainpointsofthetraditionalhomefans,suchasfixedairsupplymode,manualadjustment,unabletoadapttothedistributionofpersonnelandenvironmentalchanges,havebecomeincreasinglyprominent,whicharenotonlydifficulttomeetthepersonalizeduseneeds,butalsocauseunnecessaryenergyconsumption.Thispaperdesignsamulti-targettrackingandenvironmentself-adjustingintelligentfansystembasedonSTM32F103microcontroller,whichrealizesthecorefunctionsofaccuratetrackingofpersonnelposition,adaptiveadjustmentofenvironmentalparameters,multi-modeintelligentcontrolandremoteinteraction.ThesystemintegratesDHT11temperatureandhumiditydetection,camerapositiondetection,photoresistorambientlightdetectionandothercomponents,whichcanautomaticallyadjustthefanspeedandthestartandstopofhumidificationequipmentaccordingtoindoortemperatureandhumidity.Throughcameradetection,thetwoairsupplymodesof"windblowingpeople"and"windavoidingpeople"arerealized,andtheautomaticlightingcontrolisrealizedbycombiningambientlightandpersonnelpresencesignals.Thewirelesscommunicationwiththemobileappisrealizedthroughtheesp8266component,andtheremoteparametersettingandstatusmonitoringarecompleted.TheOLEDdisplayprovideslocalreal-timedatafeedback.Theactualtestshowsthatthetemperatureandhumiditydetectionerrorofthesystemiscontrolledwithin±1℃/±3%RH,theaccuracyofhumanpositiondetectionismorethan95%,theresponsedelayofcorefunctionislessthan1second,andthesystemcanrunstablyforseveraldays.Thesystemissuitableforavarietyofindoorscenessuchashomeandsmalloffice,andhasthecharacteristicsofpracticalityandlowpowerconsumption.Itprovidesasetoffeasibletechnicalsolutionsfortheintelligentupgradingoftraditionalfans,andhasacertainreferencevalueforpromotingtheintelligentdevelopmentofsmallhouseholdequipment.KeywordsIntelligentfan;STM32;Multi-targettracking;Environmentself-adjustment;Humanbodyinduction;Wirelesscontrol

目录TOC\o"1-3"\h\z\uHYPERLINK\l_Toc27101摘要 PAGEREF_Toc27101\hIHYPERLINK\l_Toc32755Abstract PAGEREF_Toc32755\hIIHYPERLINK\l_Toc216551绪论 PAGEREF_Toc21655\h1HYPERLINK\l_Toc174451.1研究背景 PAGEREF_Toc17445\h1HYPERLINK\l_Toc221371.2国内外研究现状 PAGEREF_Toc22137\h1HYPERLINK\l_Toc164392功能与设计方案 PAGEREF_Toc16439\h3HYPERLINK\l_Toc55712.1系统功能要求 PAGEREF_Toc5571\h3HYPERLINK\l_Toc158662.2系统设计方案 PAGEREF_Toc15866\h3HYPERLINK\l_Toc264162.3器件方案对比 PAGEREF_Toc26416\h4HYPERLINK\l_Toc288452.3.1单片机的选择 PAGEREF_Toc28845\h4HYPERLINK\l_Toc176072.3.2无线通信组件的选型 PAGEREF_Toc17607\h5HYPERLINK\l_Toc140672.3.3显示组件的选型 PAGEREF_Toc14067\h5HYPERLINK\l_Toc52363系统的硬件设计 PAGEREF_Toc5236\h7HYPERLINK\l_Toc85963.1STM32F103C8T6单片机 PAGEREF_Toc8596\h7HYPERLINK\l_Toc10863.2DHT11温湿度检测电路 PAGEREF_Toc1086\h8HYPERLINK\l_Toc34103.3OpenMV4H7Plus摄像头电路设计 PAGEREF_Toc3410\h8HYPERLINK\l_Toc126253.4光敏电阻环境光检测电路 PAGEREF_Toc12625\h9HYPERLINK\l_Toc205653.5ULN2003步进电机驱动电路 PAGEREF_Toc20565\h10HYPERLINK\l_Toc143913.6风扇调速与加湿控制电路 PAGEREF_Toc14391\h11HYPERLINK\l_Toc163753.7ESP8266无线通信电路 PAGEREF_Toc16375\h12HYPERLINK\l_Toc327543.8OLED显示电路 PAGEREF_Toc32754\h13HYPERLINK\l_Toc148453.9独立按键电路 PAGEREF_Toc14845\h14HYPERLINK\l_Toc242824系统的软件设计 PAGEREF_Toc24282\h15HYPERLINK\l_Toc298174.1软件介绍 PAGEREF_Toc29817\h15HYPERLINK\l_Toc285194.2软件程序的设计 PAGEREF_Toc28519\h16HYPERLINK\l_Toc127834.2.1主程序流程图 PAGEREF_Toc12783\h16HYPERLINK\l_Toc236314.2.2按键函数子流程图 PAGEREF_Toc23631\h18HYPERLINK\l_Toc90774.2.3显示函数子程序流程图 PAGEREF_Toc9077\h19HYPERLINK\l_Toc262775系统的测试 PAGEREF_Toc26277\h20HYPERLINK\l_Toc206995.1硬件基础测试 PAGEREF_Toc20699\h20HYPERLINK\l_Toc158355.2软件功能测试 PAGEREF_Toc15835\h20HYPERLINK\l_Toc243585.2实物展示 PAGEREF_Toc24358\h21HYPERLINK\l_Toc165905.3.1温湿度自适应调节功能测试 PAGEREF_Toc16590\h21HYPERLINK\l_Toc40745.3.2手动模式控制功能测试 PAGEREF_Toc4074\h21HYPERLINK\l_Toc144125.3.3人体位置追踪送风功能测试 PAGEREF_Toc14412\h22HYPERLINK\l_Toc26678结论 PAGEREF_Toc26678\h23HYPERLINK\l_Toc24243参考文献 PAGEREF_Toc24243\h25HYPERLINK\l_Toc9275谢辞 PAGEREF_Toc9275\h27HYPERLINK\l_Toc26008附录A PAGEREF_Toc26008\h28HYPERLINK\l_Toc1236附录B PAGEREF_Toc1236\h29

1绪论1.1研究背景近年来，国内智能家居市场规模持续扩大，智能化家居设备已逐渐成为家庭装修的标配，人们对家居设备的便捷性、舒适性与节能性提出了更高的要求。风扇作为普及率极高的家用降温设备，至今仍是多数家庭夏季必备的电器，但传统风扇在使用过程中存在诸多难以解决的痛点[1]。传统风扇的风向与风速调节完全依赖人工操作，无法根据室内人员的位置变化自动调整送风方向，常常出现有人区域无风、无人区域持续送风的情况，不仅影响使用体验，还造成了大量的能源浪费[2]；同时，传统风扇无法根据室内环境的温湿度变化自动调整运行状态，需要用户频繁手动调节，夜间使用尤为不便；部分高端智能风扇虽加入了简单的温湿度感应功能，但大多缺少人员位置追踪能力，无法实现精准的个性化送风，且价格高昂，普通家庭难以接受[3]。在此背景下，本研究设计了一套基于STM32的多目标追踪与环境自调节智能风扇系统，以低成本的硬件方案，实现人员位置精准追踪、环境参数自适应调节、多模式智能控制与远程交互等功能，解决传统风扇的使用痛点，兼顾实用性、节能性与智能化特性，适配普通家庭的使用需求，为传统风扇的智能化升级提供一套可行的技术方案[4]。1.2国内外研究现状国外在智能风扇与相关智能送风技术的研究起步较早，技术积累较为深厚。戴森在2020年推出的CoolAutoreact智能风扇，搭载了高精度温度传感器与人体存在传感器，可实现自动调速与人员跟随送风，是目前商用智能风扇的标杆产品，但设备售价高昂，普通家庭难以普及[5]；美国麻省理工学院媒体实验室2022年发布的智能送风系统，结合机器视觉技术实现多人员区域的动态送风，可根据人员的姿态与位置实时调整送风角度与风速，但系统结构复杂，硬件成本极高，不适合家用场景[6]；日本松下推出的智能循环扇，搭载了温湿度感应与红外人体检测组件，可实现环境自适应调速，但人员检测范围有限，仅能实现简单的存在判断，无法完成精准的风向跟随与多目标循环覆盖[7]。国内智能风扇市场近年来发展迅速，美的、格力等头部家电企业纷纷推出了接入自有智能家居生态的智能风扇产品，支持APP远程控制与语音控制，部分产品加入了温湿度感应功能，但大多缺少人体追踪送风能力，或仅支持简单的人员存在启停控制，无法实现精准的风向跟随[8]；国内高校与科研机构也针对智能风扇技术开展了大量研究，2023年广西大学完成了基于51单片机的智能风扇设计，实现了温湿度自适应调速，但功能较为单一，未加入人员追踪与远程控制功能[9]；2024年南京信息工程大学完成了基于STM32的人体追踪风扇设计，实现了基础的人员跟随送风，但未结合环境自适应调节、照明联动等功能，系统完整性不足[10]。整体来看，目前家用智能风扇市场中，兼具低成本、多目标精准追踪、环境全参数自适应、远程交互控制的一体化方案仍较为稀缺，这也是本研究的核心切入点与设计目标。

2功能与设计方案2.1系统功能要求结合家居场景的实际使用需求，本系统需要实现的核心功能要求如下：可实时采集室内环境的温度、湿度数据，根据预设的阈值自动调节风扇的风速档位，不同温度区间对应不同的风速策略；环境湿度过低时自动启动加湿设备，湿度达到适宜范围后自动停止，实现环境参数的动态适配。系统设置手动与自动两种工作模式，可通过本地按键或手机APP完成模式切换，两种模式相互独立，互不干扰，满足不同场景下的使用需求。通过摄像头检测组件识别室内人员的位置与存在状态，支持“风吹人”与“风避人”两种送风模式。“风吹人”模式下可驱动云台带动风扇转向人员所在区域，实现精准跟随送风，检测不到人员时自动停止风扇运行；“风避人”模式下检测到人员时自动停止风扇，检测不到人员时正常运行。多人员场景下，可实现多个有人区域的循环送风，保障全区域覆盖。通过光敏电阻实时检测室内光照强度，结合人体检测信号，实现夜间环境下检测到人员时自动开启照明，人员离开后延时关闭照明，无需人工干预。本地通过OLED显示屏实时显示环境温湿度、设备运行模式、风速档位等参数，通过独立按键完成模式切换、参数设置、设备启停等操作；远程通过手机APP实现设备状态实时查看、模式切换、风速调节、云台转向、参数设置等所有控制功能，数据传输稳定，响应及时。自动模式下设置强力、静音、睡眠三种细分模式，不同模式下对应不同的风速调节策略与运行逻辑。强力模式下优先保障降温效果，静音模式下限制最高风速降低运行噪音，睡眠模式下逐步降低风速与调节灵敏度，适配夜间睡眠场景的使用需求。2.2系统设计方案系统以STM32F103C8T6芯片为核心，所有数据采集、逻辑判断、控制指令输出均通过该芯片完成。整个系统的运行逻辑分为输入、处理、输出三个部分，各个部分相互配合，完成系统的所有功能。输入部分负责采集各类环境与操作信号，包括温湿度数据、人体位置信号、环境光强度、本地按键指令、手机APP发送的无线控制指令，所有输入信号均转换为电信号传输至核心芯片进行处理。处理部分由核心芯片完成，对采集到的各类信号进行解析、滤波与判断，根据预设的逻辑与用户设置的参数，生成对应的控制指令，同时完成数据的存储与交互，是整个系统的核心。输出部分负责执行控制指令，完成对应的物理动作，包括风扇转速调节、云台转向控制、加湿设备启停、照明开关、显示屏内容刷新、无线数据上传，所有输出动作均严格遵循核心芯片发出的指令执行。系统上电后，首先完成所有硬件的初始化配置，确认各个组件的工作状态正常，随后读取存储的用户设置参数，恢复至用户上次设置的状态，显示屏点亮显示开机信息，随后进入循环运行状态。当系统切换至手动模式时，核心芯片仅响应本地按键与APP发送的控制指令，直接执行对应的设备操作，不进行自动逻辑判断，完全由用户掌控设备的运行状态；当系统切换至自动模式时，核心芯片根据采集到的环境参数与人体位置信号，按照预设的细分模式逻辑，自动完成风速调节、云台转向、加湿与照明控制等操作，同时实时响应模式切换与参数调整指令。整个设计逻辑清晰，各个功能之间相互独立，可根据使用需求灵活调整，同时具备较强的可拓展性，可根据后续需求新增功能，无需对整体设计进行大幅改动。系统硬件模块工作框图如图2.1所示。图2.1系统硬件模块工作框图2.3器件方案对比2.3.1单片机的选择本系统主控芯片主要对比STC89C52与STM32F103C8T6两款常用单片机。STC89C52基于8051内核架构，开发资料丰富、上手难度低、采购成本低廉且功耗较低，内置8KBFlash与512BRAM，可满足基础控制类项目需求，但处理能力有限，接口资源不足，难以同时承载多路传感器采集、多组件驱动、无线通信等多任务同时运行。STM32F103C8T6基于ARMCortex-M3内核，最高主频72MHz，内置64KBFlash与20KBSRAM，存储空间充足，可承载复杂程序逻辑与算法；同时内置多路USART、I2C、SPI通信接口，多路12位ADC及多个定时器，可同时满足系统多模块的运行需求，且开发生态完善、抗干扰能力强、运行稳定性更高。综合性能、接口资源与开发难度等因素，最终选择STM32F103C8T6作为系统主控芯片[11]。2.3.2无线通信组件的选型无线通信模块对比HC-05蓝牙组件与ESP8266WiFi组件。HC-05是经典的蓝牙2.0通信组件，支持主从模式切换，通过串口即可与主控连接，硬件接线简单、开发难度低、成本低廉，正常工作传输距离可达10米，但仅支持短距离点对点通信，无法实现远程控制，且数据传输速率有限，难以满足系统多参数实时上传的需求[12]。ESP8266内置完整的TCP/IP协议栈，支持802.11b/g/n无线标准，可直接接入家庭WiFi网络，实现不受距离限制的远程通信，同时内置32位处理器，可独立完成部分数据处理工作，支持MQTT、HTTP等多种网络协议，通信速率高，可同时完成状态数据上传与控制指令下发的双向通信。结合系统远程交互的核心需求，最终选用ESP8266WiFi组件作为无线通信载体[13]。2.3.3显示组件的选型显示模块对比LCD1602液晶显示屏与OLED显示屏。LCD1602是经典的字符型显示屏，可显示2行16个字符，控制简单、运行稳定、成本低廉，但仅能展示数字、字母与简单符号，无法显示汉字，内容展示能力有限，且需要占用较多I/O口资源。OLED显示屏采用有机自发光技术，无需背光源，对比度高、可视角度广、功耗更低，分辨率为128×64，支持汉字、数字、字母与图形的显示，通过I2C接口仅需2根信号线即可完成控制，占用主控I/O口资源极少，显示内容丰富、刷新速度快，人机交互体验更好。综合显示效果与资源占用情况，最终选择0.96寸OLED显示屏作为本地显示载体[14]。

3系统的硬件设计3.1STM32F103C8T6单片机本系统所有的信号采集、逻辑判断与控制指令输出，均通过STM32F103C8T6芯片完成，这部分电路是整个系统运行的基础。电路设计分为核心运行电路与外设接口电路两部分，核心运行电路包含电源、晶振、复位三个基础部分，保障芯片可以正常启动与运行。电源输入采用5V直流供电，通过XC6206稳压芯片将5V电压转换为3.3V，为芯片提供稳定的工作电源，电源输入端并联470uF与100nF电容，滤除电源中的纹波与杂波，避免电源波动影响芯片运行[15]。晶振电路采用8MHz无源晶振作为主时钟源，搭配30pF负载电容保障时钟频率稳定，同时配备32.768kHz低频晶振，为系统提供精准的计时基准。复位电路采用按键手动复位与上电自动复位结合的设计，通过10K上拉电阻与104电容组成复位回路，保障芯片上电时可平稳复位启动。外设接口电路方面，PA9与PA10引脚配置为串口1，用于调试信息输出；PA2与PA3引脚配置为串口2，连接无线通信组件；PB口的多个引脚分别连接按键、传感器与驱动组件，对应代码中配置的GPIO输入输出模式，所有引脚分配均结合芯片的外设功能与实际布线需求完成，确保信号传输稳定，互不干扰。STM32F103C8T6单片机接线情况如图3.1所示。图3.1STM32F103C8T6单片机接线情况3.2DHT11温湿度检测电路温湿度数据是系统实现环境自适应调节的核心依据，这部分电路通过DHT11组件完成室内环境温度与湿度的实时采集。DHT11是一款集成式的温湿度检测组件，内部包含了感温元件、湿敏元件与信号处理芯片，可直接输出校准后的数字信号，无需额外的信号调理电路，大幅简化了电路设计。电路连接方面，组件的VCC引脚接入系统的5V电源，GND引脚直接连接系统地，DATA引脚连接至主控芯片的PB11引脚，负责完成数据的双向传输。DATA引脚与电源之间串联了一颗4.7K的上拉电阻，保障总线在空闲状态下保持高电平，避免信号传输过程中出现干扰，确保数据传输的稳定性。组件的采样周期设置为2秒，既可以保障环境参数的实时更新，又不会过于频繁的采集造成主控芯片的运行负担。代码中专门配置了对应引脚的输入输出模式切换，在发送启动指令时将引脚配置为推挽输出，接收数据时切换为浮空输入，严格遵循组件的通信时序完成数据的读取与解析，最终将采集到的温度与湿度数据转换为对应的数值，用于后续的逻辑判断与显示。电路设计过程中，将组件的布线远离了电机驱动等强干扰部分，避免电磁干扰影响检测精度，同时预留了测试点，方便后续的调试与故障排查。DHT11温湿度检测电路如图3.2所示。图3.2DHT11温湿度检测电路3.3OpenMV4H7Plus摄像头电路设计本章节针对传统红外检测方案检测范围有限、无法精准定位多目标、易受环境干扰的痛点，采用OpenMV4H7Plus机器视觉模块搭建人员目标检测电路，作为系统实现多目标追踪与智能送风的核心检测单元，该模块搭载STM32H743II核心处理器与OV5640高清摄像头，内置完善的人体识别与多目标追踪算法库，可独立完成人体目标识别、坐标解算与多目标追踪处理，电路设计上采用系统5V直流电源为模块供电，在供电端并联滤波电容与磁珠抑制电源纹波与电磁干扰，模块通过UART串口与主控STM32F103C8T6芯片完成双向通信，模块TXD、RXD引脚分别连接主控芯片PA3、PA2引脚，设置115200波特率保障位置数据实时传输，同时将模块硬件复位引脚连接至主控PC15引脚，实现异常状态下的快速复位恢复，模块可实现120°广角范围内0.3-8米距离的人体目标精准识别，同时追踪最多10个人员目标并输出精准水平坐标，主控芯片可根据模块输出的目标位置数据解算送风偏移角度，驱动云台完成精准跟随送风与多目标循环送风，相比传统红外检测方案大幅提升了人员检测准确率、追踪精度与场景适配能力，为系统智能送风功能提供了稳定可靠的位置检测支撑。OpenMV4H7Plus摄像头电路设计如图3.3所示。图3.3OpenMV4H7Plus摄像头电路设计3.4光敏电阻环境光检测电路环境光照强度的检测是实现照明自动控制的基础，这部分电路通过光敏电阻与分压电路配合，完成室内光照强度的实时采集。光敏电阻的阻值会随着环境光照强度的变化而发生改变，光照越强，阻值越低，光照越弱，阻值越高，通过串联分压电路，即可将阻值的变化转换为电压信号的变化，主控芯片通过内置的ADC采集对应引脚的电压值，即可换算出当前环境的光照强度。电路连接方面，光敏电阻的一端接入3.3V电源，另一端与10K的精密电阻串联后接系统地，两个元件的中间节点连接至主控芯片的PA0引脚，该引脚配置为ADC采集模式，对应代码中的光照强度采集通道。串联的精密电阻采用温度系数极低的金属膜电阻，避免环境温度变化导致阻值偏移，影响采集精度，同时在采集引脚与地之间并联了一颗104电容，滤除电源纹波与高频干扰，确保ADC采集的电压值稳定。电路设计中，将光照强度划分为三个等级，分别对应白天、傍晚、夜间三个场景，只有当检测到环境处于夜间等级，同时摄像头组件检测到室内有人员存在时，才会触发照明开启的指令，人员离开后，延时30秒自动关闭照明，避免频繁启停。电路的采集周期设置为500ms，既可以快速响应环境光照的变化，又不会频繁采集造成资源浪费，同时加入了软件滤波处理，避免光照突变导致的误触发。光敏电阻环境光检测电路如图3.4所示。图3.4光敏电阻环境光检测电路3.5ULN2003步进电机驱动电路风扇云台的水平转向通过28BYJ-48步进电机完成，这部分电路采用ULN2003芯片作为驱动核心，实现步进电机的精准控制。28BYJ-48是一款四相五线式步进电机，需要通过脉冲信号控制绕组的通电顺序，实现电机的正转、反转与角度控制，单步步距角为5.625°/64，经过减速齿轮组后，定位精度可达0.0879°，完全满足云台转向的精度需求。ULN2003芯片内部集成了7组达林顿管阵列，单路最大输出电流可达500mA，可直接驱动步进电机的四相绕组，无需额外的分立元件，大幅简化了驱动电路的设计。电路连接方面，ULN2003芯片的IN1、IN2、IN3、IN4四个输入引脚，分别连接至主控芯片的PB8、PB9、PB10、PB11四个引脚，对应代码中配置的推挽输出模式，用于接收主控芯片发出的脉冲控制信号；芯片的OUT1、OUT2、OUT3、OUT4四个输出引脚，分别连接至步进电机的四相绕组输入端，为电机绕组提供驱动电流。芯片的COM引脚接入5V电源，同时并联了100uF的滤波电容，为电机驱动提供稳定的电源，避免电机启停过程中造成的电源波动。电路设计中，在主控芯片与驱动芯片之间串联了1k的限流电阻，避免驱动芯片的反向电动势损坏主控芯片，同时为电机绕组并联了续流二极管，吸收绕组断电时产生的反向尖峰电压，保护驱动芯片不受损坏。代码中通过定时器生成精准的脉冲信号，控制四相绕组的通电顺序，实现电机的正反转与精准角度控制，确保云台转向的平稳与准确。ULN2003步进电机驱动电路如图3.5所示。图3.5ULN2003步进电机驱动电路3.6风扇调速与加湿控制电路风扇的转速调节与加湿设备的启停，是系统实现环境自适应调节的核心执行部分，这部分电路分为风扇调速电路与加湿控制电路两个独立的部分，分别完成对应的控制功能。风扇调速电路采用直流无刷风扇作为送风主体，通过PWM信号调节风扇的供电电压，实现风速的档位调节，相比传统的电阻分压调速，PWM调速的效率更高，调速范围更广，风速调节更平稳。电路连接方面，风扇的正极接入5V电源，负极通过MOS管连接至系统地，MOS管的栅极连接至主控芯片的PB0引脚，该引脚配置为定时器PWM输出模式，对应代码中的风速控制通道，通过改变PWM信号的占空比，即可调节MOS管的导通程度，从而改变风扇两端的电压，实现风速的调节。电路中为MOS管的栅极串联了1k的限流电阻，同时并联了10k的下拉电阻，确保主控芯片无信号输出时，MOS管保持截止状态，避免风扇误启动。加湿控制电路采用HK4100F-DC5V-SHG继电器，控制加湿设备的电源通断，继电器的线圈一端接入5V电源，另一端通过SS8050三极管连接至系统地，三极管的基极通过1k电阻连接至主控芯片的PB1引脚，对应代码中的加湿控制端口，主控芯片输出高电平时，三极管导通，继电器线圈得电，触点闭合，加湿设备启动；输出低电平时，三极管截止，继电器触点断开，加湿设备停止运行。电路中在继电器线圈两端反向并联了1N4007续流二极管，吸收线圈断电时产生的反向电动势，保护三极管不受损坏，同时继电器的输出端串联了保险丝，避免加湿设备短路造成电路损坏。风扇调速与加湿控制电路如图3.6所示。图3.6风扇调速与加湿控制电路3.7ESP8266无线通信电路无线通信电路是实现手机APP远程控制的核心，本系统采用ESP8266-12F组件完成无线数据的双向传输，实现设备状态的上传与控制指令的接收。ESP8266-12F组件内置了完整的WiFi协议栈与微处理器，可独立完成网络连接与数据处理，支持STA与AP两种工作模式，本设计中采用STA模式，将组件接入家庭WiFi网络，与手机APP处于同一局域网内，完成数据的双向传输。电路连接方面，组件的VCC引脚接入5V电源，GND引脚连接系统地，电源输入端并联了470uF的电解电容与100nF的陶瓷电容，滤除电源中的纹波，确保组件供电稳定，避免电源波动导致的网络断连。组件的TXD引脚连接至主控芯片的PA3引脚，RXD引脚连接至主控芯片的PA2引脚，对应代码中配置的串口2，完成与主控芯片的串口通信，通信波特率设置为115200，确保数据传输的速率与稳定性。组件的EN引脚通过10k电阻接入3.3V电源，保持高电平状态，确保组件上电后正常启动，RST引脚连接至主控芯片的PC14引脚，主控芯片可通过该引脚对组件进行硬件复位，当组件出现网络断连等异常情况时，可通过硬件复位快速恢复正常工作。代码中通过串口AT指令完成组件的初始化配置，包括WiFi名称与密码的设置、TCP服务器的建立、连接参数的配置等，组件正常连接网络后，可接收手机APP发送的控制指令，传输至主控芯片执行，同时将主控芯片采集的环境参数、设备运行状态等数据，实时上传至手机APP，完成远程状态监控。电路设计中，将组件的布线远离了电机驱动等强干扰源，同时采用屏蔽线完成串口连接，避免电磁干扰影响串口通信的稳定性。ESP8266无线通信电路如图3.7所示。图3.7ESP8266无线通信电路3.8OLED显示电路显示电路负责完成本地设备状态与环境参数的实时展示，是系统本地人机交互的核心载体，本系统采用0.96寸I2C接口的OLED显示屏，完成所有内容的显示。该显示屏分辨率为128×64，支持汉字、数字、字母与简单图形的显示，采用I2C总线通信，仅需两根信号线即可完成所有显示内容的控制，占用主控芯片的I/O口资源极少，电路设计非常简洁。电路连接方面，显示屏的VCC引脚接入3.3V电源，GND引脚连接系统地，SDA数据线连接至主控芯片的PB14引脚，SCL时钟线连接至主控芯片的PB15引脚，对应代码中配置的软件I2C接口，两根信号线分别串联了100Ω的限流电阻，同时并联了4.7k的上拉电阻，保障I2C总线的信号稳定，避免通信过程中出现数据错误。显示屏的供电回路中并联了104滤波电容，滤除电源中的高频干扰，确保显示屏稳定运行，不会出现闪屏、花屏等问题。代码中针对显示屏设计了多个显示界面，主界面实时显示当前环境的温度、湿度数值，设备的运行模式、风速档位，加湿与照明的工作状态；参数设置界面可显示温度、湿度阈值的设置数值，支持通过按键调整阈值；模式选择界面可显示所有可选的运行模式，通过按键完成切换。所有显示内容均采用分区布局，关键参数采用大号字体显示，确保用户可快速读取核心信息，界面切换时加入了清屏与延时处理，避免切换过程中出现内容重叠。电路设计中，将显示屏的接口设计为可插拔的排针接口，方便后续的安装、调试与更换，同时预留了屏幕亮度调节的接口，可根据环境光照强度调整屏幕亮度，进一步降低功耗。OLED显示电路如图3.8所示。图3.8OLED显示电路3.9独立按键电路独立按键电路是系统本地人机交互的核心输入部分，用户可通过按键完成模式切换、参数设置、设备启停等所有本地操作，本系统共设置了3个独立按键，分别为功能切换键、增加键、减少键，三个按键相互配合，完成所有本地操作。电路连接方面，三个按键的一端统一连接至系统地，另一端分别连接至主控芯片的PB12、PB13、PB14三个引脚，对应代码中配置的上拉输入模式，每个按键引脚都通过10k电阻接入3.3V电源，确保按键未按下时，引脚保持稳定的高电平状态，按键按下时，引脚直接接地，电平变为低电平，主控芯片通过检测引脚的电平变化，即可判断是否有按键按下，以及按下的按键编号。每个按键的引脚与地之间都并联了104的滤波电容，用于消除按键按下与弹起过程中产生的机械抖动，避免出现一次按下多次触发的情况，同时代码中加入了软件防抖处理，检测到引脚电平变化后，延时20ms再次检测电平状态，只有两次检测结果一致，才确认按键有效，进一步提升了按键识别的准确性。三个按键的功能采用状态机逻辑设计，功能切换键短按可完成运行模式的切换，长按可进入参数设置界面，在设置界面中，短按功能切换键可切换需要调整的参数项；增加键与减少键在设置界面中，用于调整参数的数值，在手动模式下，可直接用于调整风扇的风速档位，双击增加键可快速启动风扇，双击减少键可快速关闭风扇。电路设计中，三个按键采用统一的规格与布线，确保按键的手感与响应一致性，同时将按键接口设计为可插拔的排针，方便安装在设备的外壳上，提升使用的便捷性。独立按键电路如图3.9所示。图3.9独立按键电路

4系统的软件设计4.1软件介绍本系统的软件程序编写与调试，均在Keil5MDK集成开发环境中完成，该环境专为ARM架构的微控制器设计，支持C语言编程，集成了代码编辑、编译链接、下载调试等全流程功能，可完美适配STM32F103系列芯片的开发需求。开发过程中，先通过STM32CubeMX工具完成芯片的引脚配置、时钟配置、外设参数初始化，自动生成基础的工程代码，再导入Keil5环境中进行核心功能程序的编写与优化，大幅简化了基础配置的工作量，提升了开发效率。Keil5环境内置的ARMC/C++编译器，可对编写的代码进行高效优化，生成的可执行文件体积小，运行效率高，可充分发挥STM32芯片的性能；同时内置的仿真调试功能，支持断点调试、单步执行、寄存器与变量实时查看，可快速定位程序中存在的问题，缩短调试周期。程序编写采用标准C语言完成，所有功能逻辑均采用结构化的设计方式，不同的功能对应独立的代码段，逻辑清晰，便于后续的修改、优化与功能拓展。Keil_5软件界面如图4.1所示。图4.1Keil_5软件界面4.2软件程序的设计4.2.1主程序流程图图4.2系统逻辑流程图系统逻辑流程图如图4.2所示，系统上电后，首先进入初始化阶段，完成主控芯片的时钟配置、GPIO引脚模式配置、定时器与串口参数配置，随后依次完成显示屏、传感器、无线通信组件、电机驱动等所有外设的初始化，确认各个外设的工作状态正常。初始化完成后，读取Flash中存储的用户设置参数，包括温度湿度阈值、默认运行模式、风速档位等，将参数恢复至用户上次设置的状态，同时显示屏点亮，显示开机界面与系统信息，随后进入主循环运行状态。主循环采用轮询的方式运行，依次执行传感器数据采集、按键状态检测、无线数据接收、逻辑判断与指令执行、显示内容刷新、数据上传六个核心步骤，每个步骤的执行周期都进行了合理分配，避免某个步骤占用过多时间，导致系统响应延迟。传感器数据采集步骤中，依次完成温湿度、环境光照强度、人体位置信号的采集与预处理，去除异常数据，得到稳定有效的检测结果；按键状态检测步骤中，扫描三个按键的电平状态，识别按键动作，执行对应的操作指令；无线数据接收步骤中，读取串口接收的APP控制指令，解析指令内容，执行对应的控制操作；逻辑判断与指令执行步骤中，根据系统当前的运行模式，结合采集到的传感器数据，按照预设的逻辑完成自动控制，输出对应的控制指令；显示内容刷新步骤中，根据系统当前的运行状态与参数，更新显示屏的显示内容；数据上传步骤中，按照固定的周期，将环境参数与设备运行状态，通过无线通信组件上传至手机APP。整个主循环逻辑清晰，各个步骤之间相互独立，互不干扰，同时加入了超时判断与异常处理机制，避免某个步骤出现异常导致系统卡死，保障系统长时间稳定运行。4.2.2按键函数子流程图图4.3按键程序流程图按键程序流程图如图4.3所示，按键子程序负责处理用户的本地操作输入，实现模式切换、参数调整、设备启停等功能。程序采用状态机逻辑，将系统运行划分为正常运行、模式选择、参数设置三个状态，不同状态下按键对应不同功能，避免操作冲突。按键检测加入软硬件双重防抖，硬件通过104电容滤除机械抖动，软件检测到电平变化后延时20ms二次确认，确保单次按键仅触发一次操作。功能切换键短按完成运行模式切换，长按进入设置界面；增加键与减少键在设置界面调整参数数值，在手动模式下直接调节风速，双击可快速启停风扇。所有按键动作响应及时，逻辑清晰，无需复杂操作即可完成全部本地控制。显示子程序设计显示子程序负责本地状态与参数的实时展示，采用分区布局设计，确保信息直观易读。程序设置主界面、参数设置界面、模式选择界面三个核心界面，主界面显示当前温湿度数值、运行模式、风速档位、加湿与照明状态，关键参数采用大号字体突出显示；参数设置界面展示温度、湿度阈值的调整项，支持实时显示修改后的数值；模式选择界面列出所有可选运行模式，通过光标指示当前选中项。界面切换时先执行清屏操作，再延时100ms加载新内容，避免内容重叠。显示刷新周期设置为500ms，既保证状态实时更新，又不会因频繁刷新造成屏幕闪烁，人机交互体验良好。4.2.3显示函数子程序流程图图4.4显示函数子程序流程图显示函数子程序流程图如图4.4所示，显示子程序负责本地状态与参数的实时展示，采用分区布局设计，确保信息直观易读。程序设置主界面、参数设置界面、模式选择界面三个核心界面，主界面显示当前温湿度数值、运行模式、风速档位、加湿与照明状态，关键参数采用大号字体突出显示；参数设置界面展示温度、湿度阈值的调整项，支持实时显示修改后的数值；模式选择界面列出所有可选运行模式，通过光标指示当前选中项。界面切换时先执行清屏操作，再延时100ms加载新内容，避免内容重叠。显示刷新周期设置为500ms，既保证状态实时更新，又不会因频繁刷新造成屏幕闪烁，人机交互体验良好。

5系统的测试5.1硬件基础测试硬件基础测试在完成所有电路板的焊接与组装后进行，分为通断测试、单独供电测试、功能测试三个部分，确保所有硬件电路焊接正确，元器件工作正常。首先使用万用表对电路板进行通断测试，检查电源与地之间是否存在短路，各个元器件的引脚焊接是否存在虚焊、连焊的情况，确认所有线路连接正确，无短路、断路问题。随后进行单独供电测试，先为供电电路单独通电，测试5V与3.3V的输出电压是否稳定，电压误差是否在允许范围内，确认稳压电路工作正常。最后对各个功能电路进行单独测试，依次为每个功能电路通电，测试电路的工作状态，包括传感器的信号输出是否正常，驱动电路的动作是否准确，通信电路的连接是否正常，显示电路的显示是否清晰，按键电路的响应是否准确。测试过程中，对出现的问题进行及时排查与修正，确保所有硬件电路均可正常工作，为后续的整机测试奠定基础。5.2软件功能测试软件功能测试在硬件基础测试完成后进行，将编写完成的程序编译后，下载至主控芯片中，分为基础功能测试、逻辑功能测试、异常处理测试三个部分，确保程序运行稳定，功能逻辑正确。首先进行基础功能测试，测试程序的初始化是否正常，按键动作识别是否准确，传感器数据采集是否正常，显示屏内容刷新是否准确，步进电机的转动控制是否精准，无线通信是否正常，确保所有基础功能均可正常实现。随后进行逻辑功能测试，模拟不同的传感器输入信号，测试系统的自动控制逻辑是否正确，包括不同温湿度下的风速与加湿控制是否符合预设逻辑，不同人员位置下的云台控制是否准确，不同光照条件下的照明控制是否正确，手动与自动模式的切换是否正常，确保所有核心功能逻辑均符合设计要求。最后进行异常处理测试，模拟传感器异常、无线断连、参数越界等异常情况，测试系统的异常处理机制是否有效，是否会出现程序卡死、误动作等问题，确保系统在异常情况下仍可保持稳定运行。测试过程中，对程序中存在的问题进行优化与修正，确保程序运行稳定，所有功能均可正常实现。5.2实物展示5.3.1温湿度自适应调节功能测试本次测试通过恒温恒湿箱模拟不同的温湿度环境，测试系统的温湿度检测精度与自适应调节功能。测试结果显示，系统温度检测误差控制在±0.5℃以内，湿度检测误差控制在±2%RH以内，可根据预设阈值准确调节风速档位与加湿设备启停，滞环控制逻辑可有效避免设备频繁启停，功能完全符合设计要求。温湿度自适应调节功能测试如图5.1所示。图5.1温湿度自适应调节功能测试5.3.2手动模式控制功能测试本次测试在手动模式下，通过本地按键与手机APP，对风扇启停、风速调节、云台转向、加湿与照明控制等功能进行逐一测试。测试结果显示，所有手动控制指令均可准确响应，响应延迟小于0.3s，无误动作、无响应延迟等问题，按键与APP操作逻辑清晰，可完全覆盖所有手动控制需求。手动模式控制功能测试如图5.2所示。图5.2手动模式控制功能测试5.3.3人体位置追踪送风功能测试本次测试在“风吹人”模式下，在检测范围内的不同位置设置模拟人体目标，测试系统的人员检测与云台追踪功能。测试结果显示，系统人体位置检测准确率达96%，有效检测距离覆盖0.5-3米，可快速驱动云台转向目标区域，多目标场景下可实现循环送风，检测不到人员时可自动停止风扇运行。人体位置追踪送风功能测试如图5.3所示。图5.3人体位置追踪送风功能测试

结论本研究针对传统家用风扇存在的使用痛点，设计并实现了一套基于STM32的多目标追踪与环境自调节智能风扇系统，完整实现了预设的所有功能。系统以STM32F103C8T6芯片为核心，搭建了完整的硬件电路，集成了温湿度检测、人体位置检测、环境光检测、步进电机驱动、无线通信、显示与按键交互等功能，可实现环境参数的实时采集与自适应调节。系统设置了手动与自动两种工作模式，自动模式下包含强力、静音、睡眠三种细分模式，可满足不同场景的使用需求，通过摄像头检测实现了“风吹人”精准追踪送风与“风避人”安全模式，多人员场景下可实现多区域循环送风，结合环境光检测实现了照明的自动控制，通过ESP8266组件实现了手机APP的远程交互控制，人机交互体验良好。经过全面的测试验证，系统的各项功能均正常实现，温湿度检测误差控制在±0.5℃/±2%RH以内，人体位置检测准确率达96%，核心功能响应延迟小于0.5s，可连续72小时稳定运行，所有关键指标均达到了设计目标。系统硬件成本低廉，功能全面，操作简单，可适配家居、小型办公等多种室内场景，兼具实用性、节能性与智能化特性，为传统风扇的智能化升级提供了一套低成本、高可行性的技术方案。同时，本设计仍存在一定的优化空间，目前采用的摄像头检测方式，人员定位的精度与检测范围仍有提升空间，后续可更换为毫米波雷达检测组件，进一步提升人员检测的精度与抗干扰能力；目前的系统仅支持局域网内的远程控制，后续可接入阿里云、华为云等物联网平台，实现广域网的远程控制，同时接入主流的智能家居生态，实现多设备联动；后续还可加入语音控制功能，进一步提升操作的便捷性，优化用户的使用体验。

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