基于STM32單片機(jī)智能空氣加濕器設(shè)計(jì)

1. 項(xiàng)目開(kāi)發(fā)背景

隨著現(xiàn)代科技的迅速發(fā)展，智能家居逐漸進(jìn)入人們的生活。在智能家居中，空氣質(zhì)量調(diào)節(jié)設(shè)備尤為重要，尤其是在氣候干燥的季節(jié)，空氣加濕器的需求顯得尤為突出。傳統(tǒng)的空氣加濕器雖然能有效提高空氣濕度，但通常依賴(lài)用戶(hù)手動(dòng)調(diào)節(jié)，并且缺乏智能化控制，容易造成水位過(guò)低或過(guò)高、濕度不均等問(wèn)題。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)具有智能控制功能的空氣加濕器顯得尤為重要。

本項(xiàng)目基于STM32單片機(jī)，設(shè)計(jì)了一款智能空氣加濕器。通過(guò)集成溫濕度傳感器、水位傳感器、繼電器控制、蜂鳴器警報(bào)、按鍵控制等硬件模塊，實(shí)現(xiàn)空氣加濕器的自動(dòng)調(diào)節(jié)和手動(dòng)控制功能。此外，系統(tǒng)支持通過(guò)MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳到華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和歷史數(shù)據(jù)分析，方便用戶(hù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制。

2. 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能

本智能空氣加濕器系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

1. 繼電器控制：通過(guò)繼電器控制加濕器的啟停。
2. 手動(dòng)控制：用戶(hù)通過(guò)按鍵手動(dòng)控制加濕器的開(kāi)啟和停止。
3. 智能加濕：系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境濕度自動(dòng)調(diào)節(jié)加濕器的工作狀態(tài)，當(dāng)濕度低于設(shè)定閾值時(shí)加濕器自動(dòng)加濕，當(dāng)濕度超過(guò)閾值時(shí)自動(dòng)停止加濕。
4. 水位監(jiān)測(cè)：使用水位傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加濕器的水量，確保水位充足時(shí)加濕器才能正常工作，避免干燒。
5. 蜂鳴器警報(bào)：當(dāng)檢測(cè)到水位過(guò)低時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，提醒用戶(hù)加水。
6. 按鍵控制：用戶(hù)可以通過(guò)三個(gè)按鍵進(jìn)行智能模式與手動(dòng)模式的切換、濕度閾值的設(shè)定及調(diào)節(jié)。
7. OLED顯示屏：實(shí)時(shí)顯示環(huán)境濕度、溫度、加濕器狀態(tài)、水位、濕度閾值等信息。
8. 數(shù)據(jù)上傳：通過(guò)WiFi和MQTT協(xié)議將設(shè)備數(shù)據(jù)上傳到華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，支持遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)查看和分析。
9. 云端服務(wù)：后端服務(wù)器使用Python開(kāi)發(fā)，接收并處理來(lái)自華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)，提供前端可視化頁(yè)面，實(shí)現(xiàn)對(duì)加濕器的遠(yuǎn)程控制。

3. 項(xiàng)目硬件模塊組成

本智能空氣加濕器系統(tǒng)包含以下主要硬件模塊：

1. STM32單片機(jī)：主控芯片，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的控制邏輯和數(shù)據(jù)處理。
2. DHT11溫濕度傳感器：用于實(shí)時(shí)采集環(huán)境溫度和濕度數(shù)據(jù)。
3. 水位傳感器：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加濕器內(nèi)的水位，防止水位過(guò)低或過(guò)高。
4. 繼電器模塊：控制加濕器電源的開(kāi)關(guān)。
5. 蜂鳴器模塊：當(dāng)檢測(cè)到水位過(guò)低時(shí)，啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。
6. 按鍵模塊：用于模式切換、濕度閾值設(shè)置等控制功能。
7. OLED顯示屏：顯示當(dāng)前的環(huán)境數(shù)據(jù)和加濕器狀態(tài)。
8. WiFi模塊（ESP8266）：實(shí)現(xiàn)WiFi連接，支持MQTT協(xié)議與華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。
9. 華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)：用于存儲(chǔ)和管理設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)，并提供遠(yuǎn)程控制接口。

4. 設(shè)計(jì)思路

本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)思路基于STM32單片機(jī)為核心，通過(guò)外圍傳感器、繼電器、WiFi模塊等硬件的配合實(shí)現(xiàn)智能控制。整體設(shè)計(jì)分為硬件部分和軟件部分，硬件部分負(fù)責(zé)感知環(huán)境和控制加濕器，軟件部分負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)控制和數(shù)據(jù)上傳。

1. 環(huán)境數(shù)據(jù)采集：通過(guò)DHT11溫濕度傳感器定期采集環(huán)境濕度和溫度，并根據(jù)用戶(hù)設(shè)定的濕度閾值決定加濕器的啟停。
2. 水位監(jiān)控：水位傳感器負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控加濕器的水量，若水位過(guò)低，停止加濕器并啟動(dòng)蜂鳴器警報(bào)。
3. 用戶(hù)控制：用戶(hù)可以通過(guò)按鍵進(jìn)行手動(dòng)控制，選擇智能模式或手動(dòng)模式，并設(shè)置濕度閾值。
4. 數(shù)據(jù)上傳與遠(yuǎn)程控制：系統(tǒng)將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)通過(guò)WiFi上傳至華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，用戶(hù)可以通過(guò)PC或手機(jī)瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)頁(yè)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制。

5. 系統(tǒng)功能總結(jié)

6. 使用的模塊的技術(shù)詳情介紹

STM32單片機(jī)

STM32F103系列單片機(jī)是基于A(yíng)RM Cortex-M3核心的高性能32位微控制器，適合用于嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。其豐富的外設(shè)接口和高效的處理能力使得本項(xiàng)目得以高效地控制各個(gè)硬件模塊。

DHT11溫濕度傳感器

DHT11是一款常用的數(shù)字溫濕度傳感器，具有低功耗、簡(jiǎn)單的單總線(xiàn)接口等特點(diǎn)。它可以通過(guò)單片機(jī)的GPIO端口與STM32進(jìn)行通信，輸出溫度和濕度的數(shù)字信號(hào)。

水位傳感器

水位傳感器采用電容式或電阻式感應(yīng)原理，通過(guò)檢測(cè)水的電導(dǎo)率或電容值變化，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加濕器水位。該模塊可通過(guò)模擬量或數(shù)字量接口與STM32連接。

繼電器模塊

繼電器模塊用于控制加濕器的電源開(kāi)關(guān)。STM32通過(guò)控制繼電器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，進(jìn)而控制加濕器的工作狀態(tài)。

OLED顯示屏

OLED顯示屏用于實(shí)時(shí)顯示環(huán)境數(shù)據(jù)和加濕器狀態(tài)。由于其高對(duì)比度、低功耗的特點(diǎn)，適用于本項(xiàng)目中作為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示模塊。

蜂鳴器模塊

蜂鳴器用于發(fā)出聲音警報(bào)，提醒用戶(hù)加水。當(dāng)水位傳感器檢測(cè)到水位過(guò)低時(shí)，STM32會(huì)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲音。

WiFi模塊（ESP8266）

ESP8266是一款低功耗WiFi模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)WiFi連接和MQTT通信。它將STM32采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)上傳至華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，同時(shí)接收云平臺(tái)的控制指令，完成遠(yuǎn)程控制功能。

華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供設(shè)備管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析、遠(yuǎn)程控制等功能。設(shè)備通過(guò)MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳至平臺(tái)，平臺(tái)提供API接口以便與本地服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

7. 系統(tǒng)工作原理

工作原理：

1. 系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后，STM32開(kāi)始采集DHT11傳感器的溫濕度數(shù)據(jù)。
2. 當(dāng)濕度低于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，繼電器控制加濕器啟動(dòng)，開(kāi)始加濕。
3. 水位傳感器監(jiān)測(cè)水量，當(dāng)水位低于安全閾值時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，并停止加濕器工作。
4. 用戶(hù)可以通過(guò)按鍵手動(dòng)控制加濕器的開(kāi)關(guān)，或者切換至智能模式。
5. 所有數(shù)據(jù)通過(guò)WiFi模塊上傳至華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，用戶(hù)可以通過(guò)PC或手機(jī)瀏覽器查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史記錄，遠(yuǎn)程控制加濕器。

8. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主控程序設(shè)計(jì)

使用STM32的HAL庫(kù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，程序的主要流程如下：

1. 初始化硬件：初始化DHT11傳感器、繼電器、水位傳感器、OLED顯示屏、蜂鳴器和WiFi模塊。
2. 讀取傳感器數(shù)據(jù)：定期讀取溫濕度數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)監(jiān)控水位。
3. 控制加濕器：根據(jù)濕度值和水位，控制加濕器的啟停。
4. 上傳數(shù)據(jù)：通過(guò)WiFi模塊將數(shù)據(jù)上傳到華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

按鍵控制與顯示

通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)用戶(hù)交互，按鍵的響應(yīng)與OLED顯示屏結(jié)合，允許用戶(hù)進(jìn)行濕度值設(shè)置和模式切換。

9. 測(cè)試與調(diào)試

在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，系統(tǒng)通過(guò)模擬各種環(huán)境條件進(jìn)行調(diào)試，包括濕度、溫度、水位變化等。測(cè)試時(shí)重點(diǎn)驗(yàn)證：

1. 濕度傳感器的準(zhǔn)確性與響應(yīng)速度。
2. 水位傳感器的穩(wěn)定性。
3. 加濕器控制邏輯是否準(zhǔn)確。
4. 數(shù)據(jù)上傳至華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的穩(wěn)定性。

10. 總結(jié)

本項(xiàng)目成功設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于STM32的智能空氣加濕器系統(tǒng)，具備智能加濕、手動(dòng)控制、水位監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理等功能。未來(lái)可以通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化算法和硬件，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和智能化水平。例如，加入自動(dòng)調(diào)節(jié)濕度閾值功能、擴(kuò)展更多遠(yuǎn)程控制接口等。

11. STM32代碼設(shè)計(jì)

以下是基于STM32單片機(jī)設(shè)計(jì)的智能空氣加濕器的main.c代碼示例。包括DHT11傳感器、繼電器、水位傳感器、蜂鳴器、OLED顯示屏、WiFi模塊等。此代碼主要集中在系統(tǒng)初始化、傳感器數(shù)據(jù)讀取、加濕器控制邏輯、按鍵控制、數(shù)據(jù)上傳及OLED顯示等核心功能。

#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "dht11.h"           // DHT11溫濕度傳感器頭文件
#include "oled.h"             // OLED顯示頭文件
#include "relay.h"            // 繼電器控制頭文件
#include "water_level.h"      // 水位傳感器頭文件
#include "buzzer.h"           // 蜂鳴器頭文件
#include "wifi.h"             // WiFi模塊頭文件
#include "mqtt.h"             // MQTT通信頭文件

// 系統(tǒng)定時(shí)器，用于定期任務(wù)
#define SYSTEM_TICK_PERIOD 1000 // 1秒更新一次

// 濕度閾值（可以根據(jù)需要設(shè)定默認(rèn)值）
uint8_t humidity_threshold = 50; // 默認(rèn)濕度閾值為50%
uint8_t current_humidity = 0;    // 當(dāng)前濕度
uint8_t current_temperature = 0; // 當(dāng)前溫度

// 水位標(biāo)志
uint8_t water_level_ok = 1; // 0：水位低，1：水位正常

// 當(dāng)前模式
typedef enum {
    MODE_AUTO = 0, // 自動(dòng)模式
    MODE_MANUAL    // 手動(dòng)模式
} SystemMode;

SystemMode current_mode = MODE_AUTO;

// 控制加濕器狀態(tài)
typedef enum {
    HUMIDIFIER_OFF = 0,
    HUMIDIFIER_ON
} HumidifierStatus;

HumidifierStatus humidifier_status = HUMIDIFIER_OFF;

// 函數(shù)聲明
void SystemClock_Config(void);
void GPIO_Init(void);
void Timer_Init(void);
void Read_Sensors(void);
void Control_Humidifier(void);
void Display_Data(void);
void Button_Handler(void);
void Upload_Data(void);

int main(void)
{
    // HAL庫(kù)初始化
    HAL_Init();
    
    // 配置系統(tǒng)時(shí)鐘
    SystemClock_Config();
    
    // 初始化GPIO（繼電器控制、按鍵輸入等）
    GPIO_Init();
    
    // 初始化OLED顯示
    OLED_Init();
    
    // 初始化WiFi模塊
    WiFi_Init();
    
    // 初始化MQTT通信
    MQTT_Init();
    
    // 初始化水位傳感器、蜂鳴器等外設(shè)
    WaterLevel_Init();
    Buzzer_Init();
    
    // 啟動(dòng)定時(shí)器（定時(shí)更新環(huán)境數(shù)據(jù)和控制邏輯）
    Timer_Init();
    
    while (1)
    {
        // 定時(shí)讀取傳感器數(shù)據(jù)
        if (HAL_GetTick() % SYSTEM_TICK_PERIOD == 0) 
        {
            // 讀取傳感器數(shù)據(jù)
            Read_Sensors();
            
            // 根據(jù)模式控制加濕器
            Control_Humidifier();
            
            // 顯示當(dāng)前狀態(tài)
            Display_Data();
            
            // 上傳數(shù)據(jù)至云平臺(tái)
            Upload_Data();
        }

        // 按鍵操作處理
        Button_Handler();
    }
}

// 初始化系統(tǒng)時(shí)鐘
void SystemClock_Config(void)
{
    // 使用默認(rèn)的系統(tǒng)時(shí)鐘配置
    // STM32F1系列芯片通常使用HSE（外部晶振）作為時(shí)鐘源
    // 可以根據(jù)實(shí)際硬件配置進(jìn)行修改
}

// 初始化GPIO
void GPIO_Init(void)
{
    // 初始化繼電器控制引腳、按鍵輸入引腳等
    // 這里以假設(shè)繼電器控制引腳為GPIO_PIN_0，按鍵為GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_2等為例
    __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();
    
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

    // 繼電器控制引腳配置為輸出
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
    HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);
    
    // 按鍵輸入引腳配置
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_1 | GPIO_PIN_2;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);
}



// 讀取傳感器數(shù)據(jù)（溫濕度和水位）
void Read_Sensors(void)
{
    // 讀取DHT11溫濕度傳感器
    current_humidity = DHT11_Read_Humidity();
    current_temperature = DHT11_Read_Temperature();
    
    // 讀取水位傳感器
    water_level_ok = WaterLevel_Check(); // 返回1表示水位正常，0表示水位低
}

// 控制加濕器
void Control_Humidifier(void)
{
    if (water_level_ok == 0) 
    {
        // 水位過(guò)低，停止加濕器并啟動(dòng)蜂鳴器警報(bào)
        humidifier_status = HUMIDIFIER_OFF;
        Relay_Control(HUMIDIFIER_OFF); // 控制繼電器關(guān)閉加濕器
        Buzzer_Alert(); // 水位低時(shí)蜂鳴器響
    }
    else 
    {
        // 根據(jù)模式控制加濕器
        if (current_mode == MODE_AUTO) 
        {
            // 自動(dòng)模式，根據(jù)濕度閾值控制
            if (current_humidity < humidity_threshold) 
            {
                humidifier_status = HUMIDIFIER_ON;
                Relay_Control(HUMIDIFIER_ON); // 開(kāi)啟加濕器
            } 
            else 
            {
                humidifier_status = HUMIDIFIER_OFF;
                Relay_Control(HUMIDIFIER_OFF); // 關(guān)閉加濕器
            }
        } 
        else if (current_mode == MODE_MANUAL) 
        {
            // 手動(dòng)模式，根據(jù)按鍵控制
            // 這里假設(shè)按鍵1為開(kāi)啟，按鍵2為關(guān)閉
            if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC, GPIO_PIN_1) == GPIO_PIN_SET) 
            {
                humidifier_status = HUMIDIFIER_ON;
                Relay_Control(HUMIDIFIER_ON); // 開(kāi)啟加濕器
            } 
            else if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC, GPIO_PIN_2) == GPIO_PIN_SET) 
            {
                humidifier_status = HUMIDIFIER_OFF;
                Relay_Control(HUMIDIFIER_OFF); // 關(guān)閉加濕器
            }
        }
    }
}

// 顯示數(shù)據(jù)到OLED屏
void Display_Data(void)
{
    OLED_Clear();
    OLED_Printf("Temp: %d C", current_temperature);
    OLED_Printf("Humidity: %d%%", current_humidity);
    OLED_Printf("Mode: %s", (current_mode == MODE_AUTO) ? "Auto" : "Manual");
    OLED_Printf("Water: %s", (water_level_ok) ? "OK" : "Low");
    OLED_Printf("Humidifier: %s", (humidifier_status == HUMIDIFIER_ON) ? "ON" : "OFF");
}

// 按鍵控制
void Button_Handler(void)
{
    // 假設(shè)按鍵1為切換模式，按鍵2為濕度+，按鍵3為濕度-
    if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC, GPIO_PIN_1) == GPIO_PIN_SET) 
    {
        // 切換模式
        current_mode = (current_mode == MODE_AUTO) ? MODE_MANUAL : MODE_AUTO;
        HAL_Delay(200); // 防止按鍵抖動(dòng)
    }

    if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC, GPIO_PIN_2) == GPIO_PIN_SET) 
    {
        // 增加濕度閾值
        humidity_threshold += 5;
        if (humidity_threshold > 100) 
        {
            humidity_threshold = 100; // 最大閾值100%
        }
        HAL_Delay(200);
    }

    if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC, GPIO_PIN_3) == GPIO_PIN_SET) 
    {
        // 減少濕度閾值
        humidity_threshold -= 5;
        if (humidity_threshold < 0) 
        {
            humidity_threshold = 0; // 最小閾值0%
        }
        HAL_Delay(200);
    }
}

// 數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)
void Upload_Data(void)
{
    // 將溫濕度和加濕器狀態(tài)上傳到華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)
    MQTT_Publish("humidity_data", current_humidity);
    MQTT_Publish("temperature_data", current_temperature);
    MQTT_Publish("humidifier_status", humidifier_status);
    MQTT_Publish("water_level", water_level_ok);
}

代碼說(shuō)明：

1. 系統(tǒng)初始化：包括STM32硬件初始化，GPIO初始化（繼電器控制、按鍵輸入等），WiFi模塊和MQTT通信初始化等。
2. 傳感器數(shù)據(jù)讀取：定期從DHT11溫濕度傳感器和水位傳感器讀取數(shù)據(jù)。
3. 加濕器控制：在自動(dòng)模式下，濕度值低于閾值時(shí)啟動(dòng)加濕器，濕度值超過(guò)閾值時(shí)停止加濕器。在手動(dòng)模式下，通過(guò)按鍵控制加濕器的開(kāi)關(guān)。
4. OLED顯示：實(shí)時(shí)顯示環(huán)境溫濕度、加濕器狀態(tài)、水位、操作模式等信息。
5. 按鍵控制：通過(guò)三個(gè)按鍵控制模式切換、濕度閾值增減。
6. 數(shù)據(jù)上傳：將溫濕度和加濕器狀態(tài)等信息通過(guò)MQTT協(xié)議上傳至華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。