基于STM32的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng) (esp8266)

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1、研究背景與意義

隨著互聯(lián)網通信和電子科技的飛速發(fā)展，人們的生活方式也發(fā)生了革命性變化?？茖W技術的進步帶來了新時代的產品，這些產品在人們的生活中發(fā)揮著越來越重要的作用。

在現(xiàn)實中，運用單片機控制的系統(tǒng)已經在人們的生活中有所普及，比如交通信號燈或者心率健康檢測等。若沒有專業(yè)環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測，人們的日常生活將會受到很大的影響，環(huán)境也是諸多病癥的組成因素之一，而這種環(huán)境的過渡變化人體很難第一時間進行察覺，但潛移默化中會對身體造成或多或少的影響?？偟膩碚f，環(huán)境檢測可以統(tǒng)計環(huán)境變化趨勢、預測可能出現(xiàn)的環(huán)境問題，提供有用的環(huán)境資源，早一步避免人力、財力的損失，達到趨利避害的效果。

因此，設計一個環(huán)境檢測系統(tǒng)具有重要的實際意義。與此同時，良好的室內空氣質量有助于調動員工的積極性，提高工作效率百分之十左右?？偟膩碚f，實時準確地獲得氣體濃度數(shù)據(jù)并進行檢測操作對于舒適的居住環(huán)境和良好的工作氛圍等都有著重要意義。

2、國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

早期，一些發(fā)達國家如美國、日本、歐洲等國相繼推出自己的環(huán)境檢測方案并付諸實際措施。長期發(fā)展歷程中可以概括為兩個階段，化學儀器和現(xiàn)場檢測。追溯到二十世紀，模擬集成溫度傳感器橫空出世，運用集成工藝將所需模塊集成到一塊芯片上，功能實用性上大大提高，正向更高端更智能的方向不斷發(fā)展。
我國相對于外國來說，開始環(huán)境質量檢測的時期較晚，發(fā)展也相對更慢?？v觀整個發(fā)展史，大致分為三個階段：人工檢測、有線和無線檢測，其中有線檢測是自動化的，并針對不同地區(qū)側重不同，如北方以大氣檢測為主，采用煙氣實時檢測系統(tǒng)；南方則側重水污染，主要采用技術為COD在線實時自動檢測技術。主要檢測方面針對空氣質量和煙塵量以及水污染為主體，而且當時的產品只能測定一個環(huán)境變量，具有很強的局限性。

3、主要研究內容

本次研究設計的主要內容是設計一個基于STM32單片機的環(huán)境檢測系統(tǒng)。主要采用硬件與軟件相互結合的設計方式，擁有可在室外使用、成本低、功耗小、采集數(shù)據(jù)準確度高、方便快捷的優(yōu)勢，對人體健康保護具有重要作用。

• 第一章先是對課題的研究背景與意義作了闡述，然后對國內外現(xiàn)狀關于環(huán)境檢測的指標進行介紹，以及運用了什么技術進行了簡要的敘述。
• 第二章通過對系統(tǒng)總體設計方案的確定，明確了主控芯片和各硬件模塊的選型，并對各個模塊作了細致的描述。
• 第三章完成軟件部分設計，包含各個環(huán)境檢測模塊，代碼邏輯用流程圖表示出來，使其實現(xiàn)對應的功能。
• 第四章對完成品進行功能測試，檢查硬件焊接標準，對各個傳感器進行控制變量記錄顯示數(shù)據(jù)，比較是否符合預期標準。

4、控制系統(tǒng)設計方案

本設計以單片機為核心控制器件結合溫濕度傳感器、空氣質量傳感器和光敏電阻傳感器等進行一個環(huán)境檢測系統(tǒng)的設計。該設計可通過溫濕度傳感器、空氣質量傳感器和光敏電阻傳感器實時檢測所處的環(huán)境情況，主控模塊會連接蜂鳴器電路，若空氣質量過高，可通過WiFi上傳到上位機，使其將信息傳送到云平臺，并使蜂鳴器及時發(fā)送報警信息，能夠及時獲取所處的環(huán)境信息，便于及時針對處理。進行理論復習學習后，需運用所學知識進行電路圖的繪制，完成電路板的制作，編寫程序進行系統(tǒng)調試，最終完成具有要求功能的環(huán)境檢測系統(tǒng)。

5、電路系統(tǒng)設計方案

本系統(tǒng)設計主要分為三個部分，分別是：環(huán)境檢測數(shù)據(jù)的采集，OLED顯示檢測到的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)上傳到上位機并顯示數(shù)據(jù)。主控芯片選擇STM32單片機，其接收指令對環(huán)境光照強度、溫濕度、空氣質量數(shù)據(jù)進行收集，同時將參數(shù)信息反饋到OLED顯示屏和云平臺上，通過串口連接到WiFi通信模塊，實現(xiàn)二者之間的數(shù)據(jù)傳遞。蜂鳴器模塊是由單片機發(fā)出高電平即可發(fā)出警報，當空氣質量大于設定的閾值時，發(fā)出報警聲音。

6、系統(tǒng)控制芯片選擇

系統(tǒng)主控芯片是整個系統(tǒng)控制的核心部分，主要職責是進行數(shù)據(jù)接收、分析、處理與執(zhí)行，在設計中具有舉足輕重的作用。
在單片機的開發(fā)和工程實踐上，STM32的設計初衷就是針對于全面的功能以及低功耗的前提，與51單片機對比，存在很大差異。STM32單片機性能要比C51的性能高出幾倍，這就意味著就可以實現(xiàn)更多的功能，同時價格低廉，換言之即為可以用更便宜的價格實現(xiàn)更高的性能和更多的功能，這不僅大大增強了系統(tǒng)的性能，而且為開發(fā)者提供了經濟上的支持。目前，越來越多的用戶開始選用STM32單片機作為主控芯片。

7、傳感器電路設計

7.1 光照強度監(jiān)測模塊

在檢測光照強度模塊的選擇上，本次設計選用光敏電阻傳感器。光敏電阻是一種特殊的電阻器，是基于一種材料對不同的光照強度有著不同的導電率的原理設計的，而材料選用一般都為半導體（常見的有硫化鎘或者硒化鎘等），一點微弱的光照變化就可以使材料的導電率發(fā)生變化，使得其對環(huán)境光線十分敏感，一般用來檢測所處環(huán)境的光線亮度，其光線亮度與電阻值成反比。當阻值發(fā)生變化時，就可以對變化的幅度進行分析，再根據(jù)變化幅度的范圍，按照一定的規(guī)則來轉換為光照強度的數(shù)值。
可通過旋鈕改變它的閾值，本設計通過AO口來輸出模擬信號從而進行光照強度數(shù)值的轉換，換言之，就是光敏電阻傳感器將采集的光線強度變成一個連續(xù)的模擬信號，然后從AO引腳輸出出來，經轉換后就能得到一個光照強度數(shù)值。

本設計選擇此光敏電阻傳感器作為光照強度檢測模塊，是因為它對光照強度的變化所傳遞的數(shù)值非常精準，而且具有體積小，重量輕等優(yōu)點，便于嵌入在各種小型設備上。系統(tǒng)中的光照強度檢測模塊還具有以下特點：
（1）其模塊核心采用高靈敏型光敏電阻傳感器。
（2）工作的電壓范圍為3.3V-5V。
（3）使用寬電壓LM393比較器。
（4）輸出為比較器，信息完整，波形明顯，輸出方式為DO數(shù)字開關量輸出（0和1)和AO模擬電壓輸出。
（5）PCB為小板尺寸，便于嵌入在各種小型產品上。

7.2 溫濕度監(jiān)測模塊

隨著科技日新月異的發(fā)展，溫濕度傳感器已不再局限為最初的濕敏元器件，也開始向集成化、多樣化進行發(fā)展。在檢測溫濕度模塊的選擇上，并沒有分開去選擇溫度傳感器和濕度傳感器，而是合二為一，本設計系統(tǒng)決定選用DHT11溫濕度傳感器，此款復合傳感器可以同時感知環(huán)境中的溫濕度，在功能上更加強大，自帶數(shù)據(jù)校準，穩(wěn)定性有保障，而且在準確性方面不輸于傳統(tǒng)的分離式傳感器。
DHT11溫濕度傳感器模塊是市面上很常見的傳感器模塊，它的體積非常小而且設計精巧，每個模塊的重量僅有8克，非常適合用于空間較小、產品體積較小的設計，性價比極高。在設計中可以很方便的嵌入到實體設備中，可以使實體設備更加精巧。它是一種在輸出時直接輸出數(shù)字信號的傳感器，使得在單片機處理數(shù)據(jù)時不需要在進行轉換，處理速率得到了很大的提高。其工作形式是：首先需要感應到連接單片機接口的電平變化才會開始檢測，即若單片機不發(fā)出信號，就不會檢測溫濕度，也不會把采集到的所處環(huán)境的溫濕度參數(shù)以數(shù)字信號的形式串行傳輸到單片機。

DHT11數(shù)字濕溫度傳感器采用單總線數(shù)據(jù)格式。即，單個數(shù)據(jù)引腳端口完成輸入輸出雙向傳輸。其數(shù)據(jù)包由5Byte（ 40Bit）組成。數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分,具體格式在下面說明。一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40bit，高位先出。
數(shù)據(jù)格式：8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit校驗和校驗和數(shù)據(jù)為前四個字節(jié)相加。

7.3 空氣質量監(jiān)測模塊

空氣質量檢測模塊用于檢測所處環(huán)境的空氣質量，實現(xiàn)對空氣質量的檢測?？諝赓|量檢測傳感器原理上是利用一些氣敏材料，這種材料在不同空氣質量下的電阻率不同，主要質地是二氧化錫。當環(huán)境中存在有害污染氣體時，模塊中的氣敏材料的導電性能就會發(fā)生改變，電導率會隨著空氣質量增加而逐漸增大。換言之，空氣質量越高，其模擬量的輸出電壓越高，由于其輸出為模擬信號，那么就需要將其進行AD轉換，轉變成單片機可以處理的數(shù)字信號，最終使其在OLED上顯示。最終本設計選用MQ-135傳感器，它是一種可靠性高、適合多種應用、成本低、應用技術先進的檢測空氣質量的傳感器。它可以檢測多種有害氣體，例如：氨氣、硫化物和苯系蒸汽等。

工作原理：MQ135傳感器采用二氧化錫（SnO2）作為氣敏材料。在清潔空氣中，該材料的電導率較低。當傳感器所處的環(huán)境中存在污染氣體時，傳感器的電導率會隨著空氣中污染氣體濃度的增加而增大。通過簡單的電路，可以將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。

7.4 OLED顯示屏模塊

在顯示模塊的選擇上，一般常見的是OLED和LCD兩種，本系統(tǒng)選用0.96寸的OLED顯示屏將檢測的環(huán)境數(shù)據(jù)顯示出來。
OLED顯示屏驅動電流小，可以自己發(fā)亮，不像LCD屏需要背光燈，其響應速度也比同類型的LCD快；能耗方面，同等亮度下，雖然LCD能耗低一些，但是背光源長亮的條件下，LCD的能耗會超過OLED，從側面說明在此等的狀態(tài)下，OLED的能耗要優(yōu)于LCD；
OLED裸屏總共種接口包括:6800、8080兩種并行接口方式、3線或4線的串行SPI接口方式、IIC接口方式(只需要2根線就可以控制OLED)，本次實驗的OLED采用的就是IIC接口方式。
IIC主從通信過程
主設備往從設備寫入數(shù)據(jù)需要有下面的過程：
1.主設備發(fā)送一個起始信號（START）。
2.主設備在數(shù)據(jù)線上廣播從設備地址。
3.確定數(shù)據(jù)傳輸方向（R/W）。
4.等待從設備應答信號（ACK）。
5.主設備發(fā)送數(shù)據(jù)到從設備，從設備接收到后，會返回給主設備一個應答信號，直到主設備發(fā)送完數(shù)據(jù)，或者從設備返回一個NACK信號，表示從設備不再接收數(shù)據(jù)。
6.數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，主設備發(fā)送終止信號（STOP）。

目前，OLED顯示屏技術被看作是下一代屏幕科技的創(chuàng)新領域，同時也是下一代平面屏幕的強力應用技術，而且作為新興技術產品，無論是在價格優(yōu)勢還是性能方面，都要強于過去傳統(tǒng)的LCD顯示屏。0.96寸的OLED顯示屏實物圖

本系統(tǒng)中OLED顯示屏有四個引腳，分別是引腳1是接地的引腳，和STM32F103最小系統(tǒng)板的GND相連；引腳2為VCC，是OLED顯示屏的供電引腳，其工作電壓的范圍為3.3V-5V；引腳3為SCL時鐘線與STM32F103最小系統(tǒng)板的PB6端口相連接；引腳4為SDL數(shù)據(jù)線與STM32F103最小系統(tǒng)板的PB7相連接。

7.5 WIFI通信模塊

在數(shù)據(jù)傳輸方面，采用下位機上傳至上位機。本系統(tǒng)決定采用ESP8266作為WiFi通信模塊。ESP8266是一款非常受歡迎的低成本、高性能Wi-Fi模塊。它集成了Wi-Fi功能和TCP/IP協(xié)議棧，并可以通過串口與主控制器進行通信。
以下是對ESP8266模塊的詳細講解：

• 架構和功能：ESP8266模塊采用了32位的Tensilica處理器架構，通常是ESP8266EX芯片。它集成了Wi-Fi無線網絡連接功能和TCP/IP協(xié)議棧，具有可靠的數(shù)據(jù)傳輸能力。ESP8266還包含用于控制、調度和管理網絡連接的固件。
• Wi-Fi功能：ESP8266支持802.11 b/g/n無線標準，并且可以作為Wi-Fi客戶端或者Wi-Fi接入點（AP）運行。作為客戶端，ESP8266可以連接到現(xiàn)有的Wi-Fi網絡，實現(xiàn)與互聯(lián)網的通信。作為AP，它可以創(chuàng)建自己的Wi-Fi網絡，允許其他設備連接到它并進行數(shù)據(jù)交換。
• 通信接口：ESP8266模塊通常通過串口（UART）與主控制器進行通信，使用AT指令集作為通信協(xié)議。主控制器可以通過發(fā)送AT指令給ESP8266來控制Wi-Fi連接、數(shù)據(jù)傳輸和網絡配置。除了串口，ESP8266還可以通過SPI和I2C等接口與其他外部設備進行通信。

（1）具有三種工作模式：Station：用于連接熱點的模式；AP：用于作為熱點的模式；Station+AP：兩個功能可以同時打開。
（2）支持無線802.11b/g/n標準。
（3）在該系統(tǒng)內設置有CTP/IP協(xié)議線，并支持多路TCP Client連接。
（4）在其內部的控制單元位32位,可兼做應用MCU。
（5）此模塊功耗非常低，適合外部電源供電使用。
（6）ESP8266模塊是市面上常見的數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪K。它的體積非常小而且設計精巧，面積與一元硬幣相仿，可以很容易將其裝進到各種系統(tǒng)中。

7.6 蜂鳴器報警模塊

環(huán)境檢測系統(tǒng)在檢測到空氣質量超出某一特定的閾值后，便會由單片機控制蜂鳴器開和關，起到報警通知到相關人員的用處。
蜂鳴器一般分為無源和有源兩種，無源蜂鳴器的內部結構中沒有振蕩器與源，需要加一個音頻信號去進行驅動，這個音頻信號一般為2K-5K的方波，通過控制音頻信號的頻率，能夠達到“哆瑞咪發(fā)”的效果；而有源蜂鳴器則自帶振蕩器，通上直流電后，當I/O口輸入對應電平時，才會發(fā)聲報警。

本系統(tǒng)中使用的蜂鳴器模塊引腳連接說明如下：在輸入端引腳1為I/O口與單片機的PA5端口相連接，單片機的輸出高低電平，來控制蜂鳴器是否鳴叫；引腳2是接地的引腳，與單片機的GND相連；引腳3為VCC，是蜂鳴器模塊的供電引腳，其工作電壓為5V。

8、軟件主程序設計

主程序負責實現(xiàn)設計的所有功能，從總體系統(tǒng)結構上看，是以STM32單片機為核心，對各個模塊進行初始化，引入各個子程序模塊的頭文件，從而實現(xiàn)各個模塊的調用，各個模塊互相統(tǒng)籌合作，通過網絡將數(shù)據(jù)上傳到上位機，并且展示給用戶，從而實現(xiàn)整體的功能邏輯。結合環(huán)境的功能需求，對環(huán)境檢測系統(tǒng)所需求的軟件架構進行了設計。

9、云臺的使用（ONENET)

本次設計的上位機采用的是onenet云平臺。onenet云平臺是由中國移動打造的物聯(lián)網開放的平臺，可以快速的完成設備開發(fā)部署，能夠輕松的幫助用戶實現(xiàn)產品的接入與產品的連接，為智能系統(tǒng)和智能產品提供了方便可靠的物聯(lián)網連接方案。onenet云平臺適配各種網絡協(xié)議和網絡環(huán)境，同時還支持大量的傳感器設備和智能設備的接入，而且簡單易學，功能強大，可以讓初學者輕易上手。onenet云平臺滿足了本設計的需求。針對其使用，首先要完成的準備工作有以下幾個步驟：
（1）創(chuàng)建onenet云平臺賬號并登錄。
（2）點擊控制后臺，找到產品開發(fā)。
（3）添加產品，填寫添加產品的信息。
（4）添加設備，在詳情里面可以看到設備ID、創(chuàng)建時間、授權信息、接入方式等需要用到的信息。
配置完成后的服務器界面如下圖所示。

使用原理：各個模塊分別作用，將感知到的環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TM32單片機中，進行處理，通過ESP8266WiFi模塊傳輸?shù)缴衔粰C即onenet云平臺，此時在onenet云平臺可以詳細的看到各個模塊檢測的數(shù)據(jù)。其工作流程為：模塊先將數(shù)據(jù)傳入到STM32單片機中，接著 STM32F103單片機控制WiFi模塊進行與上位機的通信，將數(shù)據(jù)上傳到onenet云平臺。至此，設計完成了上位機與下位機的通信。

10、功能測試

將程序燒錄進STM32單片機后，對系統(tǒng)供電，首先觀察OLED顯示器是否顯示正常，若正常，則說明電路沒有問題，接著觀察所出現(xiàn)的數(shù)據(jù)是否符合預期設想變化，之后觀察其他的傳感器是否都在正常進行工作，每個傳感器模塊在顯示屏上是否有數(shù)值輸出，若一切正常，則表示沒有問題。用上位機可以驗證WiFi模塊功能是否正常，即上位機的數(shù)據(jù)是否同步準確。若是單個數(shù)據(jù)沒顯示，則檢查代碼是否有錯誤，或者觀察對應的傳感器是否有損壞現(xiàn)象。檢查完畢后，對各個傳感器進行不同環(huán)境下測試。
（1）開機動畫顯示。系統(tǒng)上電后，首先ESP8266進行聯(lián)網配置，同時OLED屏幕上顯示ESP8266初始化，同時在下方還有進度條顯示，若成功，則進度條正常讀條完成，若不成功，則進度條卡住等待，觀察上電狀態(tài)，符合設想目標，測試完畢。

（2）在ESP8266完成正常初始化后，系統(tǒng)各模塊工作正常，符合設想目標，測試溫濕度模塊讀取數(shù)據(jù)。觀察OLED屏幕，在OLED第一行顯示獲取環(huán)境的溫度，第二行顯示獲取環(huán)境的濕度，第三行顯示獲取環(huán)境的光照值，第四行顯示獲取環(huán)境的空氣質量，觀察上電狀態(tài)，各模塊讀取數(shù)據(jù)狀態(tài)正常，符合設想目標，測試完畢。

（3）溫濕度檢測模塊，DHT11溫濕度傳感器的測試比較容易，在自然條件下對數(shù)據(jù)進行記錄，然后對著DHT11溫濕度傳感器哈幾口氣，觀察數(shù)值變化情況，若前后數(shù)據(jù)均在合理范圍之內的情況下，如溫度變化范圍是0到40攝氏度，濕度為百分之0到100，哈氣后的溫度對應緩慢上升，濕度對應有所增加，則認為DHT11溫濕度傳感器的測試通過。

（3）光照強度監(jiān)測，針對環(huán)境光照值，利用光敏監(jiān)測模塊，在自然條件下，用手輕輕捏住光敏探頭，并觀察OLED上的光照值是否發(fā)生明顯下降變化，并檢驗小于閾值20時，燈是否會打開。若均符合實驗預想，則測試通過。

（4）空氣質量檢測，針對MQ-135空氣質量傳感器模塊，它可以檢測多種有害氣體，例如：氨氣、硫化物和煙霧等。測試選用燃燒后的木棍作為道具，燃燒后的木棍氣體中包含烷類氣體及石油液化氣，操作是將木棍點燃，隨后使木棍變成熄滅狀態(tài)，然后使其緩緩靠近MQ-135傳感器，觀察OLED顯示數(shù)值變化，并檢驗大于閾值180時，蜂鳴器能否正常報警鳴叫，風扇是否打開轉動。若均符合實驗預想，則測試通過。

（5）上位機檢測，在完成上述的各個模塊功能檢測后，檢查在onenet云平臺上是否能實時監(jiān)測系統(tǒng)獲取的環(huán)境數(shù)據(jù)，檢查數(shù)據(jù)接收的最新時間，若均符合實驗預想，則測試通過。


至此，所有工作的模塊都已經檢測完畢，當所有的模塊都能正常工作時，意味著環(huán)境檢測系統(tǒng)設計成功。

11、總結

本設計是基于STM32F103C8T6單片機來實現(xiàn)的，核心主控芯片連接光照強度檢測模塊、溫濕度檢測模塊、空氣質量檢測模塊；OLED顯示屏；電源穩(wěn)壓降壓模塊；WiFi通信模塊和蜂鳴器報警模塊，并通過WiFi通信模塊把數(shù)據(jù)上傳到onenet云平臺，可在上位機上實時觀看。當空氣質量達到某一特定的閾值時，會自動控制蜂鳴器進行報警，便于及時做出措施改善，使所處的環(huán)境達到或接近一個最佳的程度。
本文所設計的環(huán)境檢測系統(tǒng)，能夠成功應用于戶外的環(huán)境。經過實際運行的結果反饋表明，本系統(tǒng)可實現(xiàn)“全面采集溫濕度、光照強度和空氣質量的信息，正確的顯示在OLED顯示屏上，并將信息實時傳至onenet云平臺”的功能。本系統(tǒng)工作穩(wěn)定、抗干擾能力強、操作起來簡單便捷，滿足了現(xiàn)代環(huán)境檢測的設計要求。

12、附錄（運行視頻、實物圖片）

圖片展示：


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