基于STM32的户外环境监测系统的设计

摘要

摘 要: 伴随着电子产品的快速发展，电子测量的应用也越来越广泛，不再局限于军事，转向民用发展。更加使得电子测量技术的到极大的发展。数字信号有着良好的抗材料本身干扰和环境干扰的能力，所以，现在市面上的模拟信号产品逐渐被数字信号产品代替，并且使得测量产品越来越方便。根据市场调查，虽然市场上有很多关于环境监测系统测试仪，但大多数是应用于空气，湖泊，海洋，河流等大型检测系统，关于检测环境的小型简单方便使用的检测系统。本文开发并实现基于一种嵌入式开发平台的 STM32 的 WiFi 模块，结合以上物联网新型概念，实现用户通过网络对环境的实时监控。该系统可以使用户能够对想要知道的情况进行实时的掌握以及控制。通过各种传感器获取家庭内信息（温湿度信息、光照信息、PM2.5），用户在Android界面上可以对这些信息进行掌控。
关键词：环境监测；STM32；传感器；WIFI；Android

引言

在日常生活中，关乎我们的生活质量，也在农业大棚中关乎大棚的产量，合适的，会极大地提高产量。合适的也会极大地提高我们的生活质量。但是。传统的监控系统监控耗时间极长，效率挤满，而且需要人工不间断的监控，费事，费力，才能达到每时 每刻监控的目的。我们采用stm32对外界环境的抗干绕能力也强，可以应用在场合,并且配合Android可以有效的采集多个传感器和信息分析，分析等信息，并置设报响声的系统，数据超过设定的数值，就可以利用响声系统来提醒操作人员进行调控。该系统对可以系统的监控和控制，有不错的效果。

系统的概述和相关原理

2.1 系统的概述
2.1.1 总体设计的方案
本设计包括了主控制器、WIFI模块、温湿度监测、光照监测、PM2.5监测、手机客户端以及电源模块。电源模块为整个系统提供供电，主控制器模块通过串口协议与WIFI模块进行通信，利用串口发送AT指令使其与手机的wifi通信，通过STM32采集传感器检测到的数据，并且通过wifi发送到手机客户端，并可通过手机控制阈值，当数据值超过了阈值，单片机控制语音播报模块进行语音信息的播放。
该系统主要应具备以下功能：
（1）可实现环境监测系统的正常功能；
（2）Arduino手机app远程显示控制能够进行设置报警数值；
（3）STM32通过各种接口控制温湿度传感器，光照强度传感器，空气质量传感器，PM2.5传感器以及大气压强传感器，进而获取环境参数，并显示在LCD5110屏幕上；
（4）能够实现AC-DC降压电路给STM32系统供电
2.1.2 总体框图
该系统采用的是5V供电，主要是以STM32平台作为主控制器，，主控制器模块通过串口协议与WIFI模块进行通信，利用串口发送AT指令使其与手机的wifi通信，通过STM32采集传感器检测到的数据，并且通过wifi发送到手机客户端，并可通过手机控制阈值，当数据值超过了阈值，单片机控制语音播报模块进行语音信息的播放。
本系统总体框图如下：

2.2.2 WIFI模块
ESP8266是一款超低功耗的UART-WiFi 透传模块，拥有业内极富竞争力的封装尺寸和超低能耗技术，专为移动设备和物联网应用设计，可将用户的物理设备连接到Wi-Fi 无线网络上，进行互联网或局域网通信，实现联网功能。
ESP8266封装方式多样，天线可支持板载PCB天线，IPEX接口和邮票孔接口三种形式；
ESP8266可广泛应用于智能电网、智能交通、智能家具、手持设备、工业控制等领域。
支持无线802.11 b/g/n 标准
支持STA/AP/STA+AP 三种工作模式
内置TCP/IP协议栈，支持多路TCP Client连接
支持丰富的Socket AT指令
支持UART/GPIO数据通信接口
支持Smart Link 智能联网功能
支持远程固件升级（OTA）
内置32位MCU，可兼作应用处理器
超低能耗，适合电池供电应用
3.3V 单电源供电

硬件电路设计

3.1 主控电路
STM32F103x8和STM32F103xB增强型系列使用高性能的ARM® Cortex™-M3 32位的RISC内核，工 作频率为72MHz，内置高速存储器(高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM)，丰富的增强I/O端口 和联接到两条APB总线的外设。所有型号的器件都包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和1个 PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C接口和SPI接口、3个USART接口、一个 USB接口和一个CAN接口。
STM32F103xx中等容量增强型系列产品供电电压为2.0V至3.6V，包含-40°C至+85°C温度范围和-40°C至+105°C的扩展温度范围。一系列的省电模式保证低功耗应用的要求STM32F103xx中等容量增强型系列产品提供包括从36脚至100脚的6种不同封装形式；根据不同的封 装形式，器件中的外设配置不尽相同。
在本设计中，采用STM32F103C8T6最小系统当做主控，图3-1为最小系统电路的原理图。

                       图3-1 STM32F103C8T6最小系统原理图

3.2 WIFI通信模块
WIFI模块又名串口WIFI模块，属于物联网传输层，功能是将串口或TTL电平转为符合WIFI无线网络通信标准的嵌入式模块，内置无线网络协议IEEE802.11b.g.n协议以及TCP/IP协议。传统的硬件设备嵌入WIFI模块可以直接利用WIFI联入互联网，是实现无线智能家居、M2M等物联网应用的重要组成部分。ESP8266是一款超低功耗的模块，拥有业内极富竞争力的封装尺寸和超低能耗技术，专为移动设备和互联网的应用设计，可将用户的物理设备连接到WIFI无线网络上，进行互联网或局域网通信，实现联网功能。

3.3报警模块
报警电路主要由蜂鸣器和LED组成，当环境数据超过阈值时，蜂鸣器报警，LED点亮。
该模块的电路连接图如下图3-3所示。

核心代码

ESP8266模块支持STA/AP/STA+AP 三种工作模式。
STA 模式：ESP8266模块通过路由器连接互联网，手机或电脑通过互联网实现对设备的远程控制。
AP 模式：ESP8266模块作为热点，实现手机或电脑直接与模块通信，实现局域网无线控制。
STA+AP 模式：两种模式的共存模式，即可以通过互联网控制可实现无缝切换，方便操作。
本系统此次使用AP模式，实现局域网的无线控制。WIFI模块主要是负责系统与手机WIFI的通信，从而实现两者之间的数据传输。MCU与WIFI通信主要是通过串口来实现的，通过发送相关的AT指令，系统就可以完成对WIFI模块的操作以及相应的控制。
其实现的部分软件代码如下：

Nokia5110的通信协议是一个没有MISO只有MOSI的SPI协议，如果MCU有富裕的SPI接口，也可以利用硬件SPI，但通常没有必要，只需要软件程序模拟即可。本程序使用软件来模拟SPI,
程序如下：

管脚D/C(LCD_DC)用于选择写的是命令(D/C=0)还是数据(D/C=1)。
Nokia5110的初始化接通电源后，内部寄存器和RAM的内容是不确定的，这需要一个RES低电平脉冲复位一下。当VDD变为高电平，达到VDDmin(或更高)之后，最多100ms，RST输入低电平(电平幅度<0.3VDD)。

硬件展示

附录核心代码

附录三：程序部分代码
int main(void)
{

	 delay_init();
	 NVIC_Configuration();
	 TIM_Test();          //定义频率为100HZ的定时器
	 uart_init(115200);     //初始化串口
	 usart3_init(115200);
	 IIC_Init();	         //初始化I2C	
     DHT11_Init();
     Adc_Init();           //初始化ADC	
	 KEY_Init(); 
	 LCD_Init();
	 LCD_Clear();

	 lcd_start();
	 wifiAp_init();
	 sendWifi=1;         
     LCD_Clear();
   while(1)
   {
		 if(COUNT%200==0)                               //500ms更新一次数据
		 {
			  adConvert();                                //读取AD值
		    DHT11_Read_Data(&temperature,&humidity);		//读取温湿度值
		 }

		 key_service();                             //按键服务
		 display_service();                          //显示界面
         Beep();
		 if(COUNT>=4000)
		 {
			 if(sendWifi==1)
			 {
					 LCD_Write_Char(8,5,'s');
					 LCD_Write_Char(10,5,'e');
					 LCD_Write_Char(12,5,'n');
					 LCD_Write_Char(14,5,'d');
					 LCD_Write_Char(16,5,'.');
					 LCD_Write_Char(18,5,'.');
					 LCD_Write_Char(20,5,'.');
					 LCD_Write_Char(22,5,'.');

				   atk_8266_send_cmd("AT+CIPSEND=0,14","OK",200);  //发送数据指令
				   atk_8266_send_data(TxBuffer,"OK",400);  //发送指定长度的数据
				 
				     LCD_Write_Char(8,5,' ');
					 LCD_Write_Char(10,5,' ');
					 LCD_Write_Char(12,5,' ');
					 LCD_Write_Char(14,5,' ');
					 LCD_Write_Char(16,5,' ');
					 LCD_Write_Char(18,5,' ');
					 LCD_Write_Char(20,5,' ');
					 LCD_Write_Char(22,5,' ');
			 } 
				COUNT=0;
		 }
   }
}

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