基于stm32的家庭安全监测系统设计

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一、引言

（一）研究背景及意义

背景：随着智能家居概念的普及，人们对家庭安全、舒适度和节能提出了更高要求。传统安防系统功能单一、各系统独立，缺乏联动和远程管理能力。
意义：本系统集成环境监测（温湿度、烟雾、火焰、光照）、安防（人体红外入侵检测）和智能控制（灯光、风扇、水泵）于一体，通过STM32实现智能化决策，并通过WiFi实现远程监控。它有效提升了家庭安全性、舒适性和能源利用效率，是智能家居的重要组成部分。

（二）国内外研究现状

国内现状：国内智能家居市场发展迅速，有小米、华为等生态链产品，但多为独立产品（如单独的温度计、人体传感器），深度自定义和本地联动能力较弱。
国外现状：国外如SmartThings、Home Assistant等平台强调本地化集成和高度自动化，但入门门槛和成本较高。
本文创新点：本设计以STM32为本地控制核心，实现了高度集成的多参数监测和复杂的本地自动化逻辑（手动/自动模式），同时通过WiFi与手机APP通信，提供了一种高性价比、高灵活性、高可靠性的本地+远程一体化家庭安全监测解决方案。

二、系统总体设计

（一）系统架构

系统采用“感知-决策-执行-云控”架构。
- 感知层：由DHT11（温湿度）、MQ-2（烟雾）、火焰传感器、光敏电阻、HC-SR501（人体红外）组成。
- 决策层：STM32F103核心板，运行主控制逻辑。
- 执行层：继电器模块（控制灯、风扇、水泵）、蜂鸣器。
- 人机交互层：OLED显示屏、按键。
- 云平台层：ESP8266 WiFi模块，连接手机APP，实现数据上传和指令下发。

（二）功能模块划分

环境监测模块：负责采集温湿度、烟雾浓度、火焰、光照强度。
安防监测模块：人体红外检测，判断入侵。
核心控制模块：STM32，处理所有数据，执行模式逻辑。
设备控制模块：通过继电器控制灯、风扇、水泵。
报警模块：蜂鸣器发声报警。
交互模块：OLED显示、按键设置。
通信模块：ESP8266，负责与云平台/APP交互。

三、硬件设计与实现

（一）系统硬件框架图

（二）主控模块选型及介绍

选用STM32F103C8T6。理由：资源丰富（多路ADC、GPIO、USART），性能强大，足以同时处理多路传感器数据、驱动多个外设、进行逻辑判断和网络通信，是复杂嵌入式项目的理想选择。

（三）传感器模块选型及电路设计

DHT11温湿度传感器：单总线数字式，接3.3V，DATA脚接GPIO加上拉电阻。
MQ-2烟雾传感器：模拟输出，接5V，AOUT脚接STM32的ADC引脚。
火焰传感器：数字输出（DO）和模拟输出（AO）。DO可直接接GPIO，用于阈值报警；AO接ADC，可用于测量火焰强度。接5V。
光敏电阻：配合10KΩ电阻组成分压电路，中间点接STM32的ADC引脚，接3.3V。
HC-SR501人体红外传感器：数字输出，接5V，OUT脚接GPIO输入。

（四）通信模块选型及配置

选用ESP-01S ESP8266模块。通过AT指令与STM32的USART进行通信，连接至云平台（如OneNET、Blinker、阿里云等）。

（五）执行模块选型及驱动电路

选用3路5V继电器模块（分别控制灯、风扇、水泵）和有源蜂鸣器。
驱动电路：继电器模块可直接由STM32的IO口驱动（内置光耦隔离）。蜂鸣器通过一个NPN三极管（如S8050）驱动，基极通过1K电阻接STM32的IO口。

（六）显示与交互模块选型及接口电路

OLED显示屏：0.96寸SSD1306，I2C接口，SCL接PB6，SDA接PB7。
按键：使用3个轻触按键，一端接地，另一端分别接GPIO（设置为上拉输入），用于切换界面、模式、手动控制和设置阈值。

（七）电源模块设计

采用5V/2A直流电源适配器供电，通过AMS1117-3.3V稳压芯片为STM32、OLED、DHT11、光敏电阻提供3.3V电源。其他模块使用5V供电。

四、软件设计与实现

（一）开发环境搭建

IDE：Keil uVision 5 / STM32CubeIDE。
库：HAL库。
云平台：推荐使用Blinker或OneNET，其对APP开发支持友好，可快速搭建手机端界面。

（二）系统软件流程图

（三）系统初始化（代码片段）

int main(void) {HAL_Init();SystemClock_Config();MX_GPIO_Init();MX_ADC1_Init();MX_I2C1_Init();MX_USART2_UART_Init(); // 用于ESP8266OLED_Init();ESP8266_Init();Read_Threshold_From_EEPROM(); // 从EEPROM读取存储的阈值while (1) {Sensor_Read_Task();     // 传感器读取任务OLED_Refresh_Task();    // 显示刷新任务Key_Scan_Task();        // 按键扫描任务Control_Task();         // 核心控制任务Cloud_Comm_Task();      // 云通信任务HAL_Delay(200);}
}

（四）多传感器数据采集与处理（代码片段）

// 读取光照强度（ADC值 -> Lux需校准）
uint16_t Read_Light_Sensor(void) {uint32_t adc_val = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);// 可根据公式或查表法转换为Lux，此处返回原始ADC值用于比较return (uint16_t)adc_val;
}// 读取火焰传感器
uint8_t Read_Flame_Sensor(void) {// 如果使用数字输出，直接读取电平return HAL_GPIO_ReadPin(FLAME_GPIO_Port, FLAME_Pin);// 如果使用模拟输出，则进行ADC采样并与阈值比较
}// 读取所有传感器
void Sensor_Read_Task(void) {DHT11_Read(&temperature, &humidity);smoke_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc2);light_value = Read_Light_Sensor();flame_detected = Read_Flame_Sensor();pir_detected = HAL_GPIO_ReadPin(PIR_GPIO_Port, PIR_Pin);
}

（五）模式切换与逻辑控制（代码片段）

void Control_Task(void) {if (system_mode == AUTO_MODE) {// 1. 光照控制if (light_value > light_threshold) { // ADC值越大，光照越弱Light_OFF();} else {Light_ON();}// 2. 温度控制if (temperature > temp_threshold) {Fan_ON();} else {Fan_OFF();}// 3. 安防与火灾控制（最高优先级）if (smoke_value > smoke_threshold || flame_detected == 0) { // 火焰传感器检测到火焰时输出低电平Buzzer_ON();Fan_ON(); // 通风WaterPump_ON(); // 喷水灭火} else if (is_armed && pir_detected) { // 布防状态且有人Buzzer_ON();} else {Buzzer_OFF();WaterPump_OFF();}} else { // MANUAL_MODE// 手动模式下，设备状态完全由manual_light_cmd等变量控制// 这些变量由按键或APP设置Light_Set(manual_light_cmd);Fan_Set(manual_fan_cmd);WaterPump_Set(manual_pump_cmd);}
}

（六）人机交互实现（代码片段）

// 按键扫描状态机
void Key_Scan_Task(void) {static uint8_t key_state = 0;if (KEY1 == 0) { // 按键按下HAL_Delay(20); // 消抖if (KEY1 == 0) {if (key_state == 0) {key_state = 1;current_screen = (current_screen + 1) % TOTAL_SCREENS; // 切换显示界面}}} else {key_state = 0;}// ... 类似处理KEY2（模式/确认）、KEY3（设置/返回）
}// 在设置菜单中修改阈值
void Enter_Setting_Menu(void) {// 通过按键选择要修改的项（如温度阈值）// 按KEY2或KEY3增加/减少数值// 按KEY1确认并保存到EEPROM
}

五、系统测试与优化

（一）测试方案

功能测试：
- 环境控制：用手遮挡光敏电阻，测试灯是否自动开启；用电吹风加热，测试风扇是否启动。
- 安防报警：在布防状态下，在红外传感器前移动，测试蜂鸣器报警。
- 火灾模拟：用打火机模拟火焰，用烟熏MQ-2，测试水泵、风扇、蜂鸣器是否联动。
- 模式切换：测试按键和APP切换模式功能。
- 远程通信：测试APP数据刷新和远程控制设备的功能。
性能测试：测试系统响应延迟、通信稳定性、控制精度。