基于STM32的智能环境监测系统设计与实现（代码+PCB+APP）

发布时间：2025-08-05 02:20

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基于STM32的智能环境监测系统设计与实现

摘要：本文设计并实现了一种基于STM32的智能环境监测系统，采用Type-C供电方式，上位机控制软件为APK类型文件的应用程序。系统具备数据采集与显示功能，通过传感器采集温度、湿度、光照、烟雾和有毒气体数据，并在OLED上显示，同时通过TCP协议发送到手机软件。控制功能分为自动模式和手动模式，自动模式通过阈值判断控制设备，手动模式则通过手机APP连接单片机WiFi进行控制。系统涉及I2C协议、ADC模数转换、USART串口、TCP网络协议等通信协议。

关键词：STM32；智能环境监测系统；数据采集；TCP协议；自动控制；手动控制

一、引言

随着科技的不断发展，人们对生活环境的监测和控制需求日益增长。智能环境监测系统作为一种新型的环境监测方式，能够实时监测环境中的多种参数，并根据监测结果进行相应的控制操作，为人们的生活和工作提供便利。STM32微控制器具有高性能、低功耗、丰富的外设接口等优点，非常适合用于智能环境监测系统的开发。本文设计并实现了一种基于STM32的智能环境监测系统，采用Type-C供电方式，上位机控制软件为APK类型文件的应用程序，旨在实现环境参数的实时监测与控制。

二、系统总体设计

2.1 系统架构

本系统主要由STM32微控制器、传感器模块、OLED显示模块、Wi-Fi模块、电源模块以及上位机控制软件组成。STM32微控制器作为系统的核心，负责处理传感器数据、控制外设以及与上位机进行通信。传感器模块包括温度传感器、湿度传感器、光照传感器、烟雾传感器和有毒气体传感器，用于采集环境参数。OLED显示模块用于实时显示采集到的数据。Wi-Fi模块用于实现STM32与上位机之间的无线通信。电源模块采用Type-C供电方式，为整个系统提供稳定可靠的电能。

2.2 系统功能 2.2.1 采集数据显示功能

系统通过传感器模块采集温度、湿度、光照、烟雾和有毒气体数据，并将这些数据显示在OLED上。同时，系统通过TCP协议将这些数据发送到手机软件上，以便用户随时查看。

2.2.2 控制功能

控制功能分为自动模式和手动模式。

自动模式：系统通过预设的阈值判断环境参数是否超出正常范围。当烟雾和有毒气体数据大于设定阈值时，控制蜂鸣器报警；当光照小于阈值时，打开灯光；当光照大于阈值时，关闭灯光。用户可以通过按键修改阈值设定。手动模式：用户可以通过手机APP连接单片机Wi-Fi，然后通过手机端控制灯光、蜂鸣器、窗帘的开关。 2.3 通信协议

系统涉及多种通信协议，包括I2C协议、ADC模数转换、USART串口、TCP网络协议等。

I2C协议：用于OLED显示模块与STM32之间的通信，实现数据的显示。ADC模数转换：用于将传感器采集到的模拟信号转换为数字信号，以便STM32进行处理。USART串口：用于STM32与Wi-Fi模块之间的通信，实现数据的传输。TCP网络协议：用于STM32与上位机之间的通信，实现数据的远程传输和控制。

三、硬件设计

3.1 STM32微控制器

选用STM32F407VGT6微控制器，该微控制器基于ARM Cortex-M4内核，具有高性能、低功耗、丰富的外设接口等优点。在本系统中，STM32F407VGT6负责处理传感器数据、控制外设以及与上位机进行通信。

3.2 传感器模块 3.2.1 温度传感器

选用DHT11温湿度传感器，该传感器能够同时测量温度和湿度，具有响应速度快、抗干扰能力强等特点。DHT11通过单总线与STM32连接，STM32通过读取DHT11的数据寄存器来获取温度和湿度数据。

3.2.2 湿度传感器

与温度传感器共用DHT11，通过DHT11的数据寄存器获取湿度数据。

3.2.3 光照传感器

选用BH1750光照强度传感器，该传感器采用I2C接口与STM32连接，能够实时测量光照强度，并将数据通过I2C接口传输给STM32。

3.2.4 烟雾传感器

选用MQ-2烟雾传感器，该传感器对可燃气体和烟雾具有较高的灵敏度。MQ-2通过ADC接口与STM32连接，STM32通过读取ADC转换结果来获取烟雾浓度数据。

3.2.5 有毒气体传感器

选用MQ-135有毒气体传感器，该传感器对多种有毒气体具有较高的灵敏度。MQ-135同样通过ADC接口与STM32连接，STM32通过读取ADC转换结果来获取有毒气体浓度数据。

3.3 OLED显示模块

选用0.96寸OLED屏幕，该屏幕采用I2C接口与STM32连接，能够实时显示采集到的环境参数数据。OLED屏幕具有自发光、视角广、响应速度快等优点，适合用于本系统的数据显示。

3.4 Wi-Fi模块

选用ESP8266 Wi-Fi模块，该模块具有串口通信功能，能够与STM32进行通信。ESP8266通过USART接口与STM32连接，实现STM32与上位机之间的无线通信。

3.5 电源模块

采用Type-C供电方式，为整个系统提供稳定可靠的电能。Type-C接口具有正反插、高速数据传输、大电流充电等优点，方便用户的使用。

四、软件设计

4.1 开发环境

本系统采用STM32CubeMX软件进行初始化配置，使用Keil uVision进行代码的编写、调试和下载。STM32CubeMX是一款图形化的软件配置工具，可以方便地配置STM32微控制器的外设和时钟等参数；Keil uVision是一款常用的STM32微控制器开发环境，支持C语言的编写和调试。

4.2 系统初始化

在系统初始化阶段，主要完成单片机的时钟配置、GPIO口配置、I2C接口配置、ADC接口配置、USART接口配置、TCP/IP协议栈初始化等。具体初始化步骤如下：

时钟配置：配置系统时钟为168MHz，以满足系统对时钟频率的要求。GPIO口配置：配置各个GPIO口的功能和模式，如输入、输出、复用功能等。I2C接口配置：配置I2C接口的参数，如时钟频率、从设备地址等，用于与OLED显示模块通信。ADC接口配置：配置ADC接口的参数，如采样时间、分辨率等，用于采集烟雾传感器和有毒气体传感器的输出电压。USART接口配置：配置USART接口的参数，如波特率、数据位、停止位等，用于与Wi-Fi模块通信。TCP/IP协议栈初始化：初始化LWIP协议栈，配置IP地址、子网掩码、默认网关等参数，实现STM32与上位机之间的TCP通信。 4.3 各模块程序设计 4.3.1 数据采集程序

数据采集程序主要负责通过传感器模块采集环境参数数据。具体实现步骤如下：

初始化传感器：调用各传感器的初始化函数，配置传感器的工作模式。采集数据：通过读取传感器的数据寄存器或ADC转换结果来获取环境参数数据。数据处理：对采集到的数据进行滤波、校准等处理，提高数据的准确性。 4.3.2 OLED显示程序

OLED显示程序主要负责将采集到的环境参数数据显示在OLED屏幕上。具体实现步骤如下：

初始化OLED：调用OLED的初始化函数，配置OLED的工作模式。显示数据：将采集到的环境参数数据转换为字符串格式，并通过I2C接口发送到OLED屏幕进行显示。 4.3.3 TCP通信程序

TCP通信程序主要负责将采集到的环境参数数据通过TCP协议发送到上位机软件。具体实现步骤如下：

建立TCP连接：通过LWIP协议栈建立STM32与上位机之间的TCP连接。发送数据：将采集到的环境参数数据封装成TCP数据包，并通过USART接口发送到Wi-Fi模块，由Wi-Fi模块将数据转发给上位机。接收指令：接收上位机发送的控制指令，解析指令并执行相应的操作。 4.3.4 控制程序

控制程序主要负责根据环境参数数据和控制指令来控制外设的工作状态。具体实现步骤如下：

自动模式控制：读取环境参数数据，与预设的阈值进行比较。当烟雾和有毒气体数据大于设定阈值时，控制蜂鸣器报警；当光照小于阈值时，打开灯光；当光照大于阈值时，关闭灯光。手动模式控制：接收上位机发送的控制指令，解析指令并执行相应的操作，如控制灯光、蜂鸣器、窗帘的开关等。 4.4 上位机控制软件设计

上位机控制软件采用Android平台开发，使用Java语言编写。软件主要具备以下功能：

数据显示：实时显示STM32发送过来的环境参数数据。阈值设定：允许用户修改自动模式下的阈值设定。手动控制：提供手动控制界面，允许用户通过手机控制灯光、蜂鸣器、窗帘的开关。

五、系统测试与验证

5.1 测试环境搭建

为了验证系统的功能和性能，需要搭建一个测试环境。测试环境包括STM32开发板、传感器模块、OLED显示模块、Wi-Fi模块、Type-C供电电源、Android手机以及相应的测试工具。

5.2 功能测试 5.2.1 数据采集与显示测试 数据采集测试：分别测试温度传感器、湿度传感器、光照传感器、烟雾传感器和有毒气体传感器的数据采集功能，观察采集到的数据是否准确。OLED显示测试：将采集到的环境参数数据显示在OLED屏幕上，观察显示是否清晰、准确。TCP通信测试：将采集到的环境参数数据通过TCP协议发送到上位机软件，观察上位机软件是否能够正确接收并显示数据。 5.2.2 控制功能测试 自动模式测试：设置不同的阈值，观察系统在自动模式下的控制行为是否正确。如当烟雾和有毒气体数据大于设定阈值时，蜂鸣器是否报警；当光照小于阈值时，灯光是否打开等。手动模式测试：通过手机APP连接单片机Wi-Fi，测试手动控制功能是否正常。如通过手机控制灯光、蜂鸣器、窗帘的开关等。 5.3 性能测试

性能测试主要包括系统的响应时间、稳定性、功耗等指标的测试。

响应时间测试：测试系统从采集数据到显示数据、发送数据以及执行控制指令的响应时间，确保系统能够快速响应用户的操作。稳定性测试：长时间运行系统，观察系统是否能够稳定运行，是否会出现死机、重启等现象。功耗测试：测量系统在不同工作模式下的功耗，确保系统能够满足低功耗的要求。

六、结论与展望

6.1 研究结论

本文设计并实现了一种基于STM32的智能环境监测系统，该系统具备数据采集与显示功能、自动控制和手动控制功能，并采用了Type-C供电方式和APK类型的上位机控制软件。经过系统测试和验证，证明了该系统具有较高的准确性、稳定性和易用性，能够满足不同场景下的环境监测与控制需求。

6.2 未来展望

虽然本系统已经实现了多种功能，但仍有进一步优化的空间。未来可以在以下几个方面进行改进和扩展：

增加传感器种类：根据实际需求增加更多的传感器，如PM2.5传感器、CO2传感器等，以实现对更多环境参数的监测。优化控制算法：优化自动模式下的控制算法，提高系统的智能化水平和控制精度。增强网络通信功能：增加对更多网络通信协议的支持，如MQTT协议等，以实现与云平台的连接和数据共享。完善用户界面：优化上位机控制软件的用户界面，提高用户体验和易用性。降低功耗：进一步优化系统的功耗管理策略，降低系统的整体功耗，提高系统的续航能力。

通过不断改进和扩展，智能环境监测系统将具有更广阔的应用前景和市场价值，为人们的生活和工作提供更加便捷、智能的环境监测与控制服务。

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