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基于STM32的智慧民宿环境监测系统设计

news 2025/9/8 9:47:05

若该文为原创文章，转载请注明原文出处。

一、引言

（一）研究背景及意义

随着旅游业和共享经济的蓬勃发展，特色民宿已成为越来越多旅行者的住宿选择。然而，民宿通常地处偏远、管理分散，其在安全防护（火灾、非法入侵）、环境舒适度（温湿度、空气质量）等方面的管理相比传统酒店更为薄弱。传统的管理方式高度依赖人工巡检，效率低下且无法实现实时监控与预警，存在巨大的安全隐患和管理漏洞。因此，利用物联网技术构建一套集环境监测、安全预警、智能控制和远程管理于一体的智慧民宿系统迫在眉睫。本项目基于高性能的STM32单片机，融合多种传感器与执行器，通过Wi-Fi接入云平台，旨在为民宿提供全天候、全方位的智能化守护，极大提升住户的安全感和满意度，同时降低运营者的管理成本，具有显著的经济价值和社会意义。

（二）国内外研究现状

目前，智能家居和楼宇自动化系统技术已较为成熟，但针对民宿这一特定场景的定制化解决方案仍处于探索阶段。国外已有一些智能安防和环境控制产品，但系统集成度不高且成本昂贵。国内相关研究多集中于单一功能，如独立的烟雾报警器或智能门锁，未能将安防、环境、设备控制有机融合。将火灾监测、人体入侵检测、有害气体监测与温湿度自动调节通过一个低成本、高可靠性的STM32主控进行统一管理，并实现本地与远程双模式控制，是目前技术应用的一个创新点。本研究旨在填补这一空白，提供一个专为民宿场景设计的综合性解决方案。

二、系统总体设计

（一）系统架构

本系统采用“感知-决策-执行-云控”的四层架构。

  • 感知层：由DHT11、火焰传感器、人体红外传感器（HC-SR501）、MQ-4气体传感器组成，构成全方位的环境与安全信息采集网络。

  • 决策层：STM32主控制器作为系统核心，负责处理所有传感器数据，并根据当前工作模式（自动/手动/布控）执行预设的逻辑判断算法。

  • 执行层：包括蜂鸣器、继电器（控制水泵、风扇、空调、加湿器）、LED指示灯，负责执行报警和调节动作。

  • 云控层：基于ESP8266 Wi-Fi模块与云平台（如OneNET、阿里云）连接，实现手机App远程数据监控、历史查询、设备控制和阈值设置。

（二）功能模块划分

  1. 环境监测模块：DHT11（温湿度） + MQ-4（有害气体）。

  2. 安防监测模块：火焰传感器 + 人体红外传感器。

  3. 报警执行模块：蜂鸣器 + 水泵（灭火）。

  4. 环境调节模块：继电器控制风扇、空调、加湿器。

  5. 人机交互模块：按键 + OLED显示屏。

  6. 通信模块：ESP8266 Wi-Fi模块。

  7. 电源管理模块：为各模块提供稳定供电。

三、硬件设计与实现

（一）系统硬件框架图

各模块与STM32的连接关系表：

功能模块具体型号/类型通信接口/引脚STM32引脚连接说明
温湿度检测DHT11GPIO (单总线)PA0 (Data)检测环境温湿度，用于控制空调和加湿器。
火焰检测火焰传感器（模拟）ADC 或 GPIO (数字)PA1检测明火。模拟量可判断火焰大小，数字量输出为开关信号（有/无）。
人体检测HC-SR501GPIO (数字输出)PA2检测是否有人存在。布防模式下，有人则报警。
有害气体检测MQ-4 (模拟)ADCPA3检测天然气（CH4）、甲烷等可燃气体浓度。模拟量输入，STM32的ADC读取电压值。
空调控制继电器模块GPIO (输出)PA4高电平有效，控制继电器通断，从而模拟控制空调的开关。注意：继电器控制220V空调，务必做好强弱电隔离！
加湿器控制继电器模块GPIO (输出)PA5控制加湿器的开关。
风扇控制继电器模块GPIO (输出)PA6控制风扇的开关，用于通风。
水泵控制水泵模块/继电器GPIO (输出)PA7检测到明火时，启动水泵进行灭火。
报警器有源蜂鸣器GPIO (输出)PA8任何异常情况（明火、入侵、燃气泄漏）下报警。
本地显示0.96" OLED (SSD1306)I2CPB6 (SCL), PB7 (SDA)显示温湿度、燃气浓度、系统模式（自动/手动/布防）、设备状态等信息。
本地控制按键GPIO (输入)PB0, PB1, PB10, PB11用于切换自动/手动模式、进入/退出布防、设置阈值、手动开关设备等。启用内部上拉电阻。
云平台通信ESP-01S (Wi-Fi)UARTPA9 (TX1), PA10 (RX1)连接云平台，实现数据上传和指令接收。

电源部分：

  • 核心警告：继电器模块控制的空调、加湿器、风扇、水泵通常是220V交流电设备。STM32系统使用的是5V/3.3V直流弱电。

  • 强制要求：必须进行强弱电隔离！继电器模块本身就是一种隔离器件，但布线时务必确保高压部分（220V）与低压控制板（STM32）物理隔离，防止触电危险。

  • 建议使用多个电源供电：一个5V电源适配器给STM32和传感器供电；另一个电源给继电器模块和水泵供电。

（二）主控模块选型及介绍

主控芯片选用STM32F103C8T6。其资源分配如下：

  • 1路ADC：用于采集MQ-4的模拟信号。

  • 多个GPIO：用于连接数字传感器、驱动继电器、按键输入和蜂鸣器。

  • 1个I2C：用于驱动OLED显示屏。

  • 1个UART：用于与ESP8266通信。
    其性能完全满足本系统多外设、实时性要求高的需求，是性价比最优的选择。

（三）传感器模块选型及电路设计

  1. DHT11：数字温湿度传感器，单总线协议，电路简单，数据引脚需上拉4.7K电阻。

  2. 火焰传感器：对特定波长的火焰敏感。选用数字输出型，当检测到火焰时，DO引脚输出低电平。直接与STM32 GPIO连接。

  3. 人体红外传感器(HC-SR501)：基于热释电效应，检测人体移动。输出高电平信号当检测到人时。其灵敏度、延时时间可调。输出端直接接STM32 GPIO。

  4. MQ-4气体传感器：对甲烷、天然气等可燃气体灵敏度高。输出模拟电压信号，浓度越高电压越高。将其AO引脚接至STM32的ADC引脚。

（四）通信模块选型及配置

选用ESP-01S模块。配置流程：

  1. STM32通过AT指令集初始化ESP8266：AT+CWMODE=1 (STA模式)。

  2. AT+CWJAP="SSID","password" (连接路由器)。

  3. AT+CIPSTART="TCP","api.heclouds.com",80 (连接OneNET HTTP服务器) 或配置MQTT连接。

  4. 连接成功后，按照云平台API要求，拼接数据包并通过AT+CIPSEND发送。

（五）执行模块选型及驱动电路

  1. 继电器模块：选用4路继电器模块，输入侧为低电平触发。STM32 GPIO输出低电平时，继电器吸合。强电警告：继电器输出侧连接的水泵、风扇、空调、加湿器等为220V高压设备，接线必须规范，做好绝缘处理，防止触电危险。

  2. 蜂鸣器：有源蜂鸣器，通过一个NPN三极管（如S8050）驱动，基极串联1k电阻接STM32的PB0引脚。

  3. 水泵：选用小型直流潜水泵（5V或12V），由对应的继电器控制其电源的通断。

（六）显示模块选型及接口电路

选用0.96寸I2C接口的OLED显示屏，用于实时显示温度、湿度、气体浓度、当前模式（自动/手动/布控）、设备状态及报警信息。

（七）电源模块设计

系统包含数字电路和继电器负载，采用双路隔离供电方案最为安全可靠：

  • 一路5V电源：经AMS1117-3.3稳压后，为STM32、传感器、OLED、ESP8266供电。

  • 另一路5V或12V电源：专门为继电器线圈和水泵供电。

  • 重要：继电器输出侧控制的220V市电，必须与低压控制电路完全物理隔离。

四、软件设计与实现

（一）开发环境搭建

  • IDE: Keil uVision5

  • 库: STM32HAL库

  • 协议: cJSON库用于拼接JSON数据包。

（二）系统软件流程图

（三）系统初始化（代码片段）

// main.c
#include "dht11.h"
#include "ssd1306.h"
#include "esp8266.h"// 定义全局变量
SystemMode_TypeDef sys_mode = MODE_AUTO; // 系统模式
ArmingMode_TypeDef arm_mode = DISARMED;  // 布防模式
float temp_threshold_high = 28.0;
float temp_threshold_low = 18.0;
// ... 其他阈值int main(void) {HAL_Init();SystemClock_Config();MX_GPIO_Init();MX_ADC1_Init();MX_USART2_UART_Init();MX_I2C1_Init();OLED_Init();DHT11_Init();ESP8266_Init();// ... 从Flash读取保存的阈值和模式while (1) {Main_Task();HAL_Delay(1000); // 主循环周期1秒}
}

（四）传感器数据采集与处理（代码片段）

void Sensor_ReadTask(void) {// 1. 读取DHT11if (DHT11_ReadTempHumidity(&humi, &temp) == DHT11_OK) {// 成功读取}// 2. 读取火焰传感器 (数字输入)flame_detected = (HAL_GPIO_ReadPin(FLAME_GPIO_Port, FLAME_Pin) == GPIO_PIN_RESET);// 3. 读取人体红外 (数字输入)human_detected = (HAL_GPIO_ReadPin(PIR_GPIO_Port, PIR_Pin) == GPIO_PIN_SET);// 4. 读取MQ-4 (ADC)HAL_ADC_Start(&hadc1);gas_adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);gas_concentration = (gas_adc_value / 4095.0) * 100.0; // 转换为百分比浓度HAL_ADC_Stop(&hadc1);
}

（五）控制功能实现（代码片段）

void Control_Task(void) {// 1. 安防相关（最高优先级，不受模式影响）if (flame_detected) {Buzz_Enable(1); // 蜂鸣器急响Relay_Control(PUMP_RELAY, ON); // 启动水泵MQTT_Publish("alert", "Fire!");} else {Relay_Control(PUMP_RELAY, OFF);}if ((arm_mode == ARMED) && human_detected) {Buzz_Enable(2); // 蜂鸣器另一种响法MQTT_Publish("alert", "Intruder detected!");}if (gas_concentration > gas_threshold) {Buzz_Enable(1);Relay_Control(FAN_RELAY, ON);MQTT_Publish("alert", "Gas leak!");}// 2. 环境调节（仅在自动模式下生效）if (sys_mode == MODE_AUTO) {// 温度控制if (temp > temp_threshold_high) {Relay_Control(AC_RELAY, ON); // 开启空调制冷} else if (temp < temp_threshold_low) {// Relay_Control(AC_HEATER_RELAY, ON); // 如需制热，需另一路继电器} else {Relay_Control(AC_RELAY, OFF);}// 湿度控制if (humi < humi_threshold_low) {Relay_Control(HUMIDIFIER_RELAY, ON);} else {Relay_Control(HUMIDIFIER_RELAY, OFF);}}// 如果是在手动模式，则所有环境调节设备的开关由APP或手动按键控制
}

（六）远程控制功能实现（代码片段）

// 数据上传函数
void Cloud_UploadTask(void) {cJSON *root = cJSON_CreateObject();cJSON_AddNumberToObject(root, "temp", temperature);cJSON_AddNumberToObject(root, "humi", humidity);cJSON_AddNumberToObject(root, "gas", gas_concentration);cJSON_AddBoolToObject(root, "flame", flame_detected);cJSON_AddBoolToObject(root, "human", human_detected);cJSON_AddStringToObject(root, "mode", (sys_mode == MODE_AUTO) ? "auto" : "manual");cJSON_AddStringToObject(root, "arm", (arm_mode == ARMED) ? "armed" : "disarmed");char *json_str = cJSON_Print(root);ESP8266_HTTPPost("api.heclouds.com", "80", "/devices/XXXX/datapoints", json_str, "API-KEY");cJSON_Delete(root);free(json_str);
}// 指令接收解析（在串口中断中处理ESP8266返回的数据）
void UART2_RxCpltCallback(void) {if (strstr(esp8266_rx_buffer, "+MQTTSUBRECV:")) { // 假设使用MQTT// 解析消息, 例如: {"command":"set_mode", "value":"manual"}cJSON *root = cJSON_Parse(找到消息体的起始位置);if (root) {cJSON *cmd = cJSON_GetObjectItem(root, "command");cJSON *val = cJSON_GetObjectItem(root, "value");if (cmd && val) {if (strcmp(cmd->valuestring, "set_mode") == 0) {if (strcmp(val->valuestring, "auto") == 0) sys_mode = MODE_AUTO;if (strcmp(val->valuestring, "manual") == 0) sys_mode = MODE_MANUAL;} else if (strcmp(cmd->valuestring, "set_arm") == 0) {if (strcmp(val->valuestring, "arm") == 0) arm_mode = ARMED;if (strcmp(val->valuestring, "disarm") == 0) arm_mode = DISARMED;} else if (strcmp(cmd->valuestring, "control") == 0) {// 解析控制具体设备，如 {"command":"control", "device":"fan", "value":"on"}}// 保存新设置到Flash}cJSON_Delete(root);}}
}

五、系统测试与优化

（一）测试方案

  1. 功能测试：

    • 安全测试：用打火机测试火焰报警与水泵联动；在布防模式下走动测试人体报警；喷洒酒精测试气体报警与风扇联动。

    • 环境测试：用热风枪和加湿器改变环境温湿度，测试空调和加湿器是否按阈值正确启停。

    • 模式测试：切换自动/手动/布防模式，验证逻辑是否正确。

  2. 通信测试：断开Wi-Fi，测试重连机制；测试App控制指令的响应速度和成功率。

  3. 可靠性测试：连续上电运行72小时，观察系统是否稳定，有无死机或误报警。

（二）测试结果与分析

预计测试结果：系统能实现所有基本功能。测试重点和难点在于：

  1. 传感器抗干扰：人体红外传感器易受宠物、热源干扰；MQ-4对酒精敏感，需合理安装位置和算法滤波。

  2. 执行器联动可靠性：特别是水泵的启停，需确保水源充足且电路安全。

  3. 网络稳定性：需优化AT指令交互流程，增加心跳包机制，保证长期在网。

（三）系统优化

  1. 软件滤波：对MQ-4的ADC值进行滑动平均滤波，减少数据跳变引起的误报。

  2. 报警延时判断：为火焰和人体检测增加短暂的延时判断（如持续检测到1秒才确认），有效过滤瞬时干扰。

  3. 看门狗：启用STM32的独立看门狗（IWDG），在程序跑飞时自动复位，提高系统可靠性。

  4. 本地日志：添加EEPROM芯片，记录重要的报警事件和时间，网络恢复后上传。

六、结论与展望

（一）未来展望

  1. 多协议网关：增加蓝牙模块，使住户手机能直接连接并控制室内设备，作为网络中断时的备份。

  2. 能源管理：增加电量计量模块，监测民宿各房间能耗，为节能提供数据支持。

  3. 人脸识别门禁：升级人体传感器为摄像头，实现人脸识别开门和身份登记，提升安全性便捷性。

  4. 平台集成：与主流民宿管理平台（如Airbnb、美团民宿）的API对接，实现订单信息自动同步、智能门锁下发密码、退房后自动进入布防模式等深度联动功能。

如有侵权，或需要完整代码，请及时联系博主。


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