《基于单片机的居室内的环境监测系统设计与实现》9300字

基于单片机的居室内的环境监测系统设计与实现摘要在科技发展迅速的今天，周围的生活环境难免会遭受到一些污染，所以对室内环境的的监控，营造出舒适的室内环境具有广阔的市场和社会需求。本文基于STM32设计了一款的居室内的环境监测系统，使用STM32作为主控制器来控制温湿度传感器以及光敏传感器来监测居室的环境。为了将数据更直观的显示，使用了0.96寸的OLED显示屏用于展示监测到的数据。为了实现远程间的通信，使用了ESP8266无线传输模块发送和接受数据，将数据发送到阿里云ECS云服务器，在微信小程序端可以请求到阿里云服务器的数据并展示。该环境监测系统可以将监测到的室内环境数据发送到远程服务器，然后通过微信小程序接受，通过观察数据能够实时了解到室内环境的状况，当室内的环境发生异常时，蜂鸣器会发出间隔报警声，提示人们当前的室内环境处于异常状态。关键词：STM32；居室环境；物联网；小程序；TOC\o"1-2"\h\u19645摘要 绪论1.1研究背景和意义生活在当前时代的人们，越来越追求居室环境的舒适。因为我们大部分的时间都呆在一个封闭的环境，由于我们有时忙于工作或者其他的事情，而疏忽了周围环境给身体来带的影响。长时间呆在一个不舒适的环境可能会对人体带来一些伤害。如果我们长时间处于一个潮湿的环境，可能会给我们带来风湿的危害。有一些年轻人却得了风湿类的病，大部分原因是因为长时间呆在潮湿的环境中，这个系统能够监测到室内的环境湿度，当湿度超过一定值时，蜂鸣器会报警提醒人们采取一些措施来应对，例如开窗透风来降低房间的湿度。不仅如此，室内的温度和光照强度也会影响人们的健康，当室内的温度持续过高时，会给人体带来一定的危害，当这个时候就需要进行将降温并且多喝水。室内环境的状况与我们的健康密切相关，我们需要及时调整室内的环境情况，让自己的身体处于一个舒适的环境。基于STM32的室内环境监测系统可以对室内环境进行实时监测，并且实现了远程监测，该系统能够为人们实时观察到自己所处的环境并做出调整。1.2国内外发展现状1.2.1国外发展现状国外工业革命的发展比较早，工业革命之后留下的环境问题比较严重，在环境方面国外比我国更早的重视，所以在环境监测技术上面，国外发展得更早一些。物联网在九十年代被国外重视，并且大力研究物联网技术，在物联网技术上得到了巨大提升并应用在环境监测方面，使环境监测的时效性和实时性大大提高。由于物联网技术国外发展的比较早，所以技术比较成熟一点。在国外生产环境监测仪器的公司中，比较有名气有布朗卢比、美国哈希、法国AWA、日本岛津等等，这些公司生产的监测仪器具有较高的准确性与稳定性。1.2.2国内发展现状虽然我国在物联网起步方面落后于其他国家，其实早在九九年，我国也开始了互联网的研究，并且取得了可观的成就。在高校里也在努力培养互联网人才，在高校中开设物联网课程，培养了一批优秀的物联网人才。现在我国发展比较好的物联网公司有小米、华为等等。在智能家居方面做的比较好的有小米公司，小米的智能家居产品包括米家热水壶、蓝牙音箱、智能窗帘等等，智能家居能够通过语音进行控制，并且这些产品价格符合大众。虽然国内现在环境监测仪器在销售方面不如国外，一部分原因是因为国内消费者对国内环境监测技术的认识还停留在十几年前，还有对国外产品的依赖。国内的环境监测仪器虽然起步较晚，但是经过这些年的发展，已经取得了巨大的进步。国内在室内环境监测方面拥有巨大的潜力。1.3研究内容本文研究的主要内容是利用STM32最小核心板，通过Keil5编写程序，再通过STLink下载器将程序下载到STM32主控芯片，然后通过编写的驱动程序来驱动温湿度传感器和光敏传感器监测居室环境。将监测到的居室环境数据通过ESP8266发送到阿里云服务器，最后通过微信开发者工具制作一款微信小程序，通过小程序请求到数据并展示并且能够远程操控。2方案设计2.1设计要求（1）实现居室环境的监测，监测到室内环境的异常自动报警。（2）实现微信小程序远程监测数据，并控制LED灯和蜂鸣器。2.2总体设计方案本文设计的基于STM32的居室环境监测系统主控芯片使用的是STM32F103C8T6，测量温湿度使用的传感器为DHT11，测量光照强度使用的传感器为BH1750。分析收集的数据。将收集到的数据进行分析，实际监测到的数据会和我们程序中设定的值进行对比，假如超过了蜂鸣器将报警提醒人们。在此系统中不仅使用了温湿度传感器监测室内的温度和湿度，还使用了光照强度传感器监测光照强度，除了传感器部分还使用了LED灯和蜂鸣器，LED灯和蜂鸣器不仅可以手动控制，也可以通过微信小程序进行远程控制，除此之外，当室内的环境出现异常时蜂鸣器将会自动报警。将监测到的数据通过STM32单片机进行数模转换，为了便于观察数据，将监测到的数据显示在0.96寸OLED屏上。为了能够与小程序进行远程通信，采用了ESP8266无线传输模块，将温湿度和光照强度的数据发送到阿里云ECS云服务器。微信小程序依赖与微信这个庞大的用户基数，使用起来方便容易被别人接受，除此之外，微信小程序具有开发方便、快捷的优点，在微信的官方开发者文档上，提供了多种API和详细的介绍，可以快速的开发一款小程序。所以在该系统的设计上就分为了硬件部分和软件部分两大块。2.2.1硬件设计方案基于STM32的居室环境检测系统，使用传感器监测居室环境的数据，并将检测到的数据传输到嵌入式控制系统中，对数据进行分析，当发生情况时，智能控制系统可以检测到屋内的情况，而控制过程中会及时产生相应的方法并发出报警声，传感器被用于主机检测居室内的环境温度、湿度、光照强度。并将数据传输至STM32主控芯片，STM32主控芯片会将数据进行分析和处理，然后将数据传输到计算机设备上，通过显示屏显示。一些达到设定报警值的数据，中央控制系统将发出报警信号，提醒用户避免危险。WiFi无线传输模块，连接计算机中心和STM32主控芯片，向控制中心提供数据，并将遥控面板发送给STM32芯片，计算机单元负责传感器的所有数据。硬件的系统流程图如图2.1所示。图2.1硬件流程图2.2.2软件设计方案系统的软件部分，有在STM32上对传感器的驱动程序，也有在微信小程序端的程序。STM32程序开发所使用的软件为keil5，程序开发的模块主要有控制LED驱动的开发，蜂鸣器驱动的开发，温湿度驱动程序的开发和光照强度驱动的开发。在微信小程序端，所采用的开发方式是基于mpvue框架开发的，主要的程序包括数据展示页面的开发和登录注册界面的开发，数据的请求。STM32和微信小程序之间消息的互相传递是通过ESP8266无线传输模块，通过ESP8266连上我们的WIFI或者蜂窝网络，并且配置好我们远程服务器的IP地址，就可以向我们的阿里云服务器发送数据，然后在微信小程序中通过导入mqtt模块。导入后并命名为connect，通过connect(mqttUrl)连接到远程服务器，连接mqtt服务器之后订阅设备上行数据。软件流程图如图2.2所示。图2.2软件流程图2.3主控制器方案方案一：C51，C51的运算能力相对于ARM和FPGA显得有些不够，在这个设计中，使用了多个传感器，温湿度传感器及光敏传感器，数据会比较多，所以不使用该单片机。方案二：STM32,ARM能够满足本次系统设计的需求，ARM作为主控芯片，能够对接受到的数据进行有效的处理，并且在近些年，嵌入式开发中使用ARM用的越来越多。所以在这个系统中，我们选择使用STM32。2.4通信方案方案一:蓝牙,蓝牙是一种新型的无线通信技术,它能够实现在个人的局域网和移动设备之间所需要的近距离数据交换。蓝牙无线通信打破了使用有线电缆方式来直接连接各类数字设备的传统局限,它主要是工作在2.4hz的全球普遍通用IS频段,这也正是蓝牙为何被认为是目前世界上最广泛通用的一种无线通信技术。方案二:WiFi,WiFi也被认为是一种重要的无线网络通信技术,这是由电气与电子工程师学会定义的无线网络通信行业标准。其最主要的优点之一便是能够允许计算机将电子器件和设备与局域网之间进行连接,从而达到高的传输率。同一特征点属于无线通信网络标准。蓝牙传输的距离范围较小同时耗电量也低。蓝牙的通信距离一般在10～15米左右，主要用于连接一些外部设备或短距离传输数据。目前，蓝牙功能普遍集成在手机、耳机、键盘、鼠标、打印机等数码产品中。它们广泛应用于这些方面，适合户外场景。WiFi具有开放速度快、范围广、但耗电量高的特点。WiFi主要用于提供无线互联网服务，因此，WiFi经常出现在需要连接的智能设备上，如手机、笔记本电脑、平板电脑等，WiFi可以直接将各种电子设备连接到网络上进行各种交互，适用于室内场景，特别是公司和家庭环境。由于系统需要远距离传输和控制，所以选择WiFi进行通信。3电路设计3.1主控制器电路3.1.1STM32芯片介绍STM32是意法半导体公司的一款产品，STM32中的ST代表的是公司名即意法半导体公司，M是代表的是微控制器，32表示的是这是一款32bit的微控制器。本此设计使用的STM32型号为STM32F103C8T6，表示的含义为该产品引脚为48脚，FLASH为64K字节，LQFP封装、工作温度范围为-40℃～+85℃。3.1.2调试接口电路将程序下载到STM32当中的方式有：（1）使用串口下载，但是串口不能进行仿真，调试起来比较困难。使用串口下载需要一个USB转TTL的模块，因为电脑的接口为USB接口，单片机的接口为TTL，两者之间需要转换。还需要安装CH340驱动，最后安装MCUISP软件将keil中编译的hex文件进行下载。（2）JTAG/SWD下载，本次设计使用了SWD下载程序，SWD下载只需要四个引脚，从网上购买的ST-Link价格便宜，使用方便，把ST-Link和单片机上的SWCLK和SWIO相连，再接电源即可一键下载。为了方便调试和开发，该系统选择的是使用ST-Link仿真器进行下载程序。通讯下载模块的电路原理图如图3.1所示。图3.1调试接口电路图3.1.3电源电路本设计使用的STM32F103C8T6需要使用3.3V的电压进行供电，但是电脑的输出电压为5V，需要使用稳压器进行稳压，这个单片机使用稳压器为ME6211，电源转换电路的电路原理图如图3.2所示。图3.2电源转换电路图ME611稳压器引脚说明：VIN电压输入端VSS接地引脚CE开关引脚NC空脚VOUT电压输出端3.1.4晶振电路STM32F103C8T6中有两个晶振，一个是8MHz的晶振，为高速晶振用来给单片机提供主时钟。另一个是32.768KHz的晶振，为低速晶振，用来给RTC提供时钟。32.768K一般用来提供精准计数，因为2的15次方等于32768，经过15次的分频之后就可以得到1秒的时钟频率，我们日常生活中有很多电子产品用到了，比如手机、电脑甚至手表中的钟也是这样制作而成的。晶振电路原理图如下图3.3所示。图3.3晶振电路图3.1.5启动电路基于Cortex-M3内核的器件有3种启动方式。可以通过板子上的BOOT0和BOOT1的电平进行选择哪种启动方式。开发板上的BOOT0、BOOT1跳线选择CPU的启动方式，如下表3.4所示。BOOT0BOOT1启动模式0无关用户闪存存储器启动10从系统存储器启动11内置SRAM启动表3.4BOOT启动模式表本设计的BOOT0和BOOT1均设置为0，从闪存存储器启动。电路图如图3.5所示。图3.5BOOT启动电路图3.1.6复位电路主控芯片可以通过NEST引脚输出低电平达到复位，复位方法有很多种，包括软件复位、硬件复位和看门狗复。本系统主要是通过硬件按键进行复位。在电阻和GND之间连接了一个C2的电容,这个电容的设计目的主要是为了消除按键的振荡和抖动,在按键刚刚被按下或者是松开时候就会出现一个高频的电平抖动过程,震荡的速度大概可以控制为10ms,但相对主控芯片I/O的控制速度来说,时间已经够长了,可以同时进行多次重新复位操作。电容具备电压稳定性不会产生突变的优点,使用电容滤波器可以防止抖动而重新复位,电路图如下表3.6所示。图3.6复位电路图3.2无线传输电路在本系统中使用的WiFi模块为ESP8266，ESP82266是安信可的一款产品，因为该芯片具有价格便宜和稳定性高的特点，所以我们选择使用ESP8266这款产品。从宏观上来看，ESP8266也是属于单片机一种类型的，平时我们使用单片机，一般都是先在keil中编写程序，然后在keil中编译程序，最后烧写程序，而在ESP8266中出厂的时候就已经给我们烧写好了程序，上电就可以开始运行，只需要我们给单片机发送指令。ESP8266的产品种类如下图3.7所示。图3.7ESP8266产品图综合基于STM32的居室环境检测系统的需求，在考虑成本和使用上选择了ESP-01S作为本系统的无线传输模块，因为它具有一下优势：价格低，ESP8266开发板只需要十几块钱。（2）功能强大内部跑LWIP协议（3）支持三种模式：AP,STA,AP+STA共存模式（4）完善简洁高效的AT指令，让开发更简单。ESP8266-01S的电路原理图如图3.8所示：图3.8ESP8266-01S电路原理图ESP8266-01S引脚说明：VCC电源电压（+3.3V到3.6V）GND接地（0V）RX数据接受机引出线TX数据传输的引脚在这个模块中，只使用了VCC,GND,TX,RX引脚，其他的引脚悬空。VCC引脚连接到3.3v-3.6v电压，GND引脚接地。RX引脚连接MCU的PA2引脚，TX引脚连接MCU的PA3引脚。3.3温湿度检测电路因为DHT11具有较高的稳定性且价格便宜，在本设计中我们使用DHT11作为温湿度传感器。DHT11接了一个LED指示灯，当指示灯亮时提醒我们已经接通了电源，起到一个提示的作用。DHT11上电后，需要等待1s，通过不稳定状态后才能发出命令。可以在电源引脚之间添加一个100nF电容器，以实现解耦和滤波。当布线长度超过20m时，应连接5K上拉电阻器。在这里，我们布线小于20米，所以只需要4.7K上拉电阻。DHT11于MCU之间是单线双向结构，也就是可以接收数据也能发送数据。一次的数据传输为40个bit，也就是5个字节。电路原理图如图3.9所示：图3.9DHT11电路原理图DHT11引脚说明：VCC供电3.3-5.5VDATA串行数据，单总线NC空脚GND接地，电源负极DHT11模块的GND和VCC分别与MCU的电源和接地引脚相连。数据引脚DATA用来与MCU之间进行通讯和同步。一次可传输40位数据，湿度的8位整数数据和8位小数数据，但湿度的小数部分为0。温度为8位整数数据和8位小数数据。还有8个数据校验位。3.4光照检测电路本次系统使用的光照传感器为BH1750。它也有另外一个名称叫做GY30模块，其实GY30模块也是使用的是BH1750FVI芯片，区别在于BH1750FVI芯片以及外围的一些电路集成到了一起。BH1750是一个IIC通信协议的传感器，IIC是数据线SDA和时钟线SCL构成的串行总线，既可以向MCU发送数据也可以接受数据。在通信的过程中，时钟线发挥控制的作用。数据线起到传送数据的作用，IIC通信过程如下：开始信号，当SCL为高电平的时候，SDA由高跳变为低。发送数据，在IIC总线上通信的过程中，每一个时钟脉冲就会传输一位数据。时钟线SCL控制SDA一位一位的串行传输数据，数据的传输为边缘触发。响应，数据传输的过程中会产生时钟，在第九个时钟的时候，数据接收端返回一个信号，若为高电平，表示数据接受失败，为低电平，数据接受成功。接受数据，因为发送数据的时候是一位一位发送的，接受数据的时候也是一位一位接受的。停止信号，当SCL为高电平的时候，SDA由低跃变为高。BH1750通讯过程：第1步：发送上电命令。第2步：发送测量命令。第3步：等待测量结束。第4步：读取数据。第5步：计算结果。BH1750的电路原理图如图3.10所示。图3.10BH1750电路原理图BH1750引脚说明：（1）VCC供电电压源正极（2）SCLIIC时钟线，时钟输入引脚，由MCU输出时钟（3）SDAIIC数据线，双向IO口，用来传输数据（4）ADDRIIC地址线，接GND时器件地址为0100011，接VCC时器件地址为1011100（5）GND供电电压源负极在BH1750这个模块中第一个和第二个引脚分别接VCC和GND，SCL时钟线引脚与MCU的PB6引脚相连，SDA数据线引脚与MCU的PB7引脚相连，ADDR引脚悬空。3.5显示屏电路OLED是一种新型显示技术，能够实现自发光，不要背光源，可弯曲等特性，LCD屏需要背光而且色彩显示没有OLED鲜艳，OLED被认为是下一代新兴显示屏技术，现在手机上有较多的手机使用就是OLED屏。本系统使用的是0.96寸OLED屏，分辨率为128*64，通信协议为IIC通信，IIC通信的过程在上文中已详细介绍，OLED的电路图如图3.11所示。图3.11OLED电路原理图OLED显示屏引脚定义为：（1）GND供电电压源负极（2）VCC供电电压源（3）SCLIIC时钟线（4）SDAIIC数据线本系统使用的0.96寸OLED屏的驱动器为SSD1306，SSD1306支持SPI以及IIC多种总线驱动方式。该芯片可以通过IO口相应的高低电平选择哪种驱动方式，但是在本系统中已经通过电阻固化了相应IO口配置，使用了IIC接口方式。OLED的GND和VCC引脚分别与MCU的GND和VCC引脚连接，时钟线的SCL引脚与MCU的PA5引脚连接，SDA引脚与MCU的PA6引脚连接。3.6报警提示电路本系统的蜂鸣器为低电平触发有源蜂鸣器，这里的源指的是震荡源而不是电源。无源蜂鸣器和有源蜂鸣器的区别主要在于驱动的方式不同。无源蜂鸣器指的是蜂鸣器内部没有震荡源，需要一个特定频率的信号1.5K~2.5KHZ的震荡信号才能驱动。有源蜂鸣器内部自带震荡源，所以只需要一个直流电压就能驱动，单片机的PA0引脚输出低电平就可以让有源蜂鸣器发出响声，而无源蜂鸣器做不到。这里的震荡源指的是一种元件能够将直流信号转换为交流信号。该有源蜂鸣器的参数为：（1）模块采用9012三极管驱动（2）工作电压3.3V-5V（3）设有固定螺栓孔，方便安装（4）PCB尺寸:21.5mm*20mm本系统的有源蜂鸣器的电路原理图如图3.12所示。图3.12蜂鸣器电路图该有源蜂鸣器的引脚为：（1）VCC:外接3.3V-5V电压(可以直接与5V单片机和3.3V单片机相连)（2）GND:外接GND（3）外接单片机I/O口4软件设计4.1keil开发环境在Keil中使用C语言开发单片机驱动，与汇编语言相比学习难度较低，而且C语言开发程序具有灵活性高、代码易于维护、结构清晰等优点。Keil中提供了丰富的库函数供我们使用，不仅如此Keil集编辑、编译、调试、程序下载于一体，便于开发人员进行开发。4.2创建工程模板（1）创建新的工程。（2）选择自己需要开发的开发板目标型号。（3）选择OptionsforTarget进行相关配置。在Target中的晶振频率我们选择12.0MHz，在Output中我们勾选CreatHEXFile可以生成相应的可执行文件。Debug中我们选择STLink-Debugger。4.3温湿度采集软件设计温湿度的驱动程序设计，首先要将DHT11进行复位，等待DHT11的回应，如果返回的是1，就是没有检测到DHT11的存在。返回0，检测到DHT11的存在。从DHT11读取一个字节，返回值是读取到的数据，如果返回值是0，读取是正常的。如果返回值是1，则读取数据失败，温湿度的驱动程序流程图如图4.3所示。图4.3温湿度驱动设计图4.4光照度采集软件设计在访问I2C设备前，请先调用i2c_checkDevice()检测i2c设备是否正常，该函数会配置GPIO，先发送启动信号，再发送设备地址和读写控制bit，检测设备的ACK答应，发送停止信号，函数返回ACK。接下来BH1750写一个字节，成功返回0，失败返回非0，最后返回光照强度。光照度的驱动程序设计如图4.4所示。图4.4BH1750驱动程序图5系统调试5.1小程序设计5.5.1登录注册页面设计微信小程序首先进入登录页面，首次登录的用户需要注册一个账号，假如没有注册会提示用户名或密码错误，注册用户名之后就可以进行登录。当忘记密码之后，可以通过注册的手机号码进行密码的修改。修改密码之后即可正常登录。首先要创建三个input输入框，并且绑定相应的事件，用户名输入框绑定onUserNameChange事件，密码输入框绑定onPassWordChange事件，电话输入框绑定onContectChange事件。当用户名输入框中的数据发生变化时触发回调函数onUserNameChange，当密码输入框中的数据发生变化时触发回调函数onPassWordChange，当找回密码联系电话输入框中的数据发生变化时触发回调函数onContectChange，当我们点击登录、注册按钮时会触发回调函数onClick,当我们第一次注册时，会将注册时输入的账号和密码存入setStorage中，当我们登录时，会先判断我们这个账号注册了没有，如果注册了就会比对我们storage中的账号和密码，对比成功就可以成功登录。假如我们忘记了密码，点击忘记密码，就会跳出找回密码校正的弹窗，如图5.2所示。图5.1找回密码弹窗图登录注册的逻辑如下图5.2流程图所示图5.2登陆注册流程图登录注册页面的效果图如图5.3所示图5.3登录注册页面效果图5.5.2主页面设计主页面的header部分展示的是当地天气的情况，主要包括了空气质量、所在地区、天气状况还有当天衣着推荐。该部分的天气数据获取，是使用的是和风天气免费的API，使用wx.request函数调用和风天气得API，将获取得数据存贮到data中，然后使用mustach语法将数据渲染到页面中。主页面的数据展示程序流程图如图5.4所示图5.4主页面流程图页面效果图如图5.5所示图5.5主页面效果图5.2设备与小程序联调当硬件电路和软件都制作完毕后，开始联调，联调的主要作用是使硬件和上位机之间能够正常的收发数据。在硬件上按下控制led灯的开关，能在上位机上显示led是打开还是关闭，同时在上位机上也能控制led灯的亮灭。蜂鸣器也是如此，在硬件上按下开关，在上位机上能观测到蜂鸣器是否开启，也能通过上位机控制蜂鸣器。点击客厅灯按钮，触发onLedChange事件，通过以下代码向服务器发送开灯的信息。that.client.publish("/mysmarthome/sub",'{"target":"LED","value":1}')假如为关灯执行以下代码向服务器发送关灯的信息。that.client.publish("/mysmarthome/sub",'{"target":"LED","value":0}')点击报警器按钮执行以下代码向服务器发送报警的信息。that.client.publish("/mysmarthome/sub",'{"target":"BEEP","value":1}'硬件实物图如图5.6所示图5.6硬件实物图与之对应的数据展示图如图5.7所示图5.7数据展示图6总结与展望6.1总结经过四个月的努力，我完成了我的毕业设计基于STM32的居室环境监测系统，这套系统已经达到了预期的要求，能够实现温湿度以及光照强度的监测，能够在OLED屏上显示监测到的温湿度和光照强度，并且能够自动报警。通过WIFI模块能够将监测到的数据发送到阿里云ESC云服务器，并能通过微信小程序进行远程控制。能够实现按键和小程序都能控制蜂鸣器和LED灯。在制作的过程中也碰到过许多的难题，在大学期间只学过基础的STM32，对于搭建服务器，远程传输数据，小程序之类的根本不懂，只能一点一滴去学。在搭建服务器的时候碰见过许多问题，在此之前都没有接触过，搭建的服务器接受不到数据或者无法从服务器请求数据，域名的配置，SSL证书的申请，小程序如何制作，等等许多的问题都要自己慢慢解决。回过头来，发现自己已经能够做出这么多东西了，当初在选题的时候，不太相信自己能够制作出来，在经过不断的查阅资料，不断的研究之后，自己的能力也得到了提升，锻炼了自己解决问题的能力。在大学期间，我没有参加实验室，只是按照学校要求完成规定的任务，