基于stm32的家庭安全監測系統設計

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一、引言

（一）研究背景及意義

背景：隨著智能家居概念的普及，人們對家庭安全、舒適度和節能提出了更高要求。傳統安防系統功能單一、各系統獨立，缺乏聯動和遠程管理能力。
意義：本系統集成環境監測（溫濕度、煙霧、火焰、光照）、安防（人體紅外入侵檢測）和智能控制（燈光、風扇、水泵）于一體，通過STM32實現智能化決策，并通過WiFi實現遠程監控。它有效提升了家庭安全性、舒適性和能源利用效率，是智能家居的重要組成部分。

（二）國內外研究現狀

國內現狀：國內智能家居市場發展迅速，有小米、華為等生態鏈產品，但多為獨立產品（如單獨的溫度計、人體傳感器），深度自定義和本地聯動能力較弱。
國外現狀：國外如SmartThings、Home Assistant等平臺強調本地化集成和高度自動化，但入門門檻和成本較高。
本文創新點：本設計以STM32為本地控制核心，實現了高度集成的多參數監測和復雜的本地自動化邏輯（手動/自動模式），同時通過WiFi與手機APP通信，提供了一種高性價比、高靈活性、高可靠性的本地+遠程一體化家庭安全監測解決方案。

二、系統總體設計

（一）系統架構

系統采用“感知-決策-執行-云控”架構。
- 感知層：由DHT11（溫濕度）、MQ-2（煙霧）、火焰傳感器、光敏電阻、HC-SR501（人體紅外）組成。
- 決策層：STM32F103核心板，運行主控制邏輯。
- 執行層：繼電器模塊（控制燈、風扇、水泵）、蜂鳴器。
- 人機交互層：OLED顯示屏、按鍵。
- 云平臺層：ESP8266 WiFi模塊，連接手機APP，實現數據上傳和指令下發。

（二）功能模塊劃分

環境監測模塊：負責采集溫濕度、煙霧濃度、火焰、光照強度。
安防監測模塊：人體紅外檢測，判斷入侵。
核心控制模塊：STM32，處理所有數據，執行模式邏輯。
設備控制模塊：通過繼電器控制燈、風扇、水泵。
報警模塊：蜂鳴器發聲報警。
交互模塊：OLED顯示、按鍵設置。
通信模塊：ESP8266，負責與云平臺/APP交互。

三、硬件設計與實現

（一）系統硬件框架圖

（二）主控模塊選型及介紹

選用STM32F103C8T6。理由：資源豐富（多路ADC、GPIO、USART），性能強大，足以同時處理多路傳感器數據、驅動多個外設、進行邏輯判斷和網絡通信，是復雜嵌入式項目的理想選擇。

（三）傳感器模塊選型及電路設計

DHT11溫濕度傳感器：單總線數字式，接3.3V，DATA腳接GPIO加上拉電阻。
MQ-2煙霧傳感器：模擬輸出，接5V，AOUT腳接STM32的ADC引腳。
火焰傳感器：數字輸出（DO）和模擬輸出（AO）。DO可直接接GPIO，用于閾值報警；AO接ADC，可用于測量火焰強度。接5V。
光敏電阻：配合10KΩ電阻組成分壓電路，中間點接STM32的ADC引腳，接3.3V。
HC-SR501人體紅外傳感器：數字輸出，接5V，OUT腳接GPIO輸入。

（四）通信模塊選型及配置

選用ESP-01S ESP8266模塊。通過AT指令與STM32的USART進行通信，連接至云平臺（如OneNET、Blinker、阿里云等）。

（五）執行模塊選型及驅動電路

選用3路5V繼電器模塊（分別控制燈、風扇、水泵）和有源蜂鳴器。
驅動電路：繼電器模塊可直接由STM32的IO口驅動（內置光耦隔離）。蜂鳴器通過一個NPN三極管（如S8050）驅動，基極通過1K電阻接STM32的IO口。

（六）顯示與交互模塊選型及接口電路

OLED顯示屏：0.96寸SSD1306，I2C接口，SCL接PB6，SDA接PB7。
按鍵：使用3個輕觸按鍵，一端接地，另一端分別接GPIO（設置為上拉輸入），用于切換界面、模式、手動控制和設置閾值。

（七）電源模塊設計

采用5V/2A直流電源適配器供電，通過AMS1117-3.3V穩壓芯片為STM32、OLED、DHT11、光敏電阻提供3.3V電源。其他模塊使用5V供電。

四、軟件設計與實現

（一）開發環境搭建

IDE：Keil uVision 5 / STM32CubeIDE。
庫：HAL庫。
云平臺：推薦使用Blinker或OneNET，其對APP開發支持友好，可快速搭建手機端界面。

（二）系統軟件流程圖

（三）系統初始化（代碼片段）

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(); // 從EEPROM讀取存儲的閾值while (1) {Sensor_Read_Task();     // 傳感器讀取任務OLED_Refresh_Task();    // 顯示刷新任務Key_Scan_Task();        // 按鍵掃描任務Control_Task();         // 核心控制任務Cloud_Comm_Task();      // 云通信任務HAL_Delay(200);}
}

（四）多傳感器數據采集與處理（代碼片段）

// 讀取光照強度（ADC值 -> Lux需校準）
uint16_t Read_Light_Sensor(void) {uint32_t adc_val = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);// 可根據公式或查表法轉換為Lux，此處返回原始ADC值用于比較return (uint16_t)adc_val;
}// 讀取火焰傳感器
uint8_t Read_Flame_Sensor(void) {// 如果使用數字輸出，直接讀取電平return HAL_GPIO_ReadPin(FLAME_GPIO_Port, FLAME_Pin);// 如果使用模擬輸出，則進行ADC采樣并與閾值比較
}// 讀取所有傳感器
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）模式切換與邏輯控制（代碼片段）

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. 溫度控制if (temperature > temp_threshold) {Fan_ON();} else {Fan_OFF();}// 3. 安防與火災控制（最高優先級）if (smoke_value > smoke_threshold || flame_detected == 0) { // 火焰傳感器檢測到火焰時輸出低電平Buzzer_ON();Fan_ON(); // 通風WaterPump_ON(); // 噴水滅火} else if (is_armed && pir_detected) { // 布防狀態且有人Buzzer_ON();} else {Buzzer_OFF();WaterPump_OFF();}} else { // MANUAL_MODE// 手動模式下，設備狀態完全由manual_light_cmd等變量控制// 這些變量由按鍵或APP設置Light_Set(manual_light_cmd);Fan_Set(manual_fan_cmd);WaterPump_Set(manual_pump_cmd);}
}

（六）人機交互實現（代碼片段）

// 按鍵掃描狀態機
void Key_Scan_Task(void) {static uint8_t key_state = 0;if (KEY1 == 0) { // 按鍵按下HAL_Delay(20); // 消抖if (KEY1 == 0) {if (key_state == 0) {key_state = 1;current_screen = (current_screen + 1) % TOTAL_SCREENS; // 切換顯示界面}}} else {key_state = 0;}// ... 類似處理KEY2（模式/確認）、KEY3（設置/返回）
}// 在設置菜單中修改閾值
void Enter_Setting_Menu(void) {// 通過按鍵選擇要修改的項（如溫度閾值）// 按KEY2或KEY3增加/減少數值// 按KEY1確認并保存到EEPROM
}

五、系統測試與優化

（一）測試方案

功能測試：
- 環境控制：用手遮擋光敏電阻，測試燈是否自動開啟；用電吹風加熱，測試風扇是否啟動。
- 安防報警：在布防狀態下，在紅外傳感器前移動，測試蜂鳴器報警。
- 火災模擬：用打火機模擬火焰，用煙熏MQ-2，測試水泵、風扇、蜂鳴器是否聯動。
- 模式切換：測試按鍵和APP切換模式功能。
- 遠程通信：測試APP數據刷新和遠程控制設備的功能。
性能測試：測試系統響應延遲、通信穩定性、控制精度。