基于STM32 的智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王寶堃，吳佳樂(lè)，董錚

（湖北文理學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，湖北襄陽(yáng)，441053）

1 研究背景及意義

21 世紀(jì)是一個(gè)高速發(fā)展的智能化時(shí)代，各種科技產(chǎn)品在實(shí)際生活中的應(yīng)用下，人們的生活方式也逐漸地發(fā)生改變，變得更簡(jiǎn)便、更加智能化。社會(huì)的進(jìn)步，各種科技手段逐漸走進(jìn)并影響人們的生活，使人們的生活是越來(lái)越智能化、越便捷。智能監(jiān)控系統(tǒng)是為了幫助人們?cè)谙硎芸萍紟?lái)的舒適、方便、便捷的生活時(shí)，提供安全的保障，幫助人們檢測(cè)家庭內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)，并進(jìn)行一定程度上的調(diào)控，甚至消滅某些危險(xiǎn)因素，避免在人為疏忽及其他情況下危險(xiǎn)事件的發(fā)生。智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用可以提高家庭的安全性，保護(hù)用戶的人身以及財(cái)產(chǎn)安全，為用戶節(jié)約時(shí)間，有利于居家生活的環(huán)保、安全、節(jié)能等，為社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)主要以STM32F103RCT6 單片機(jī)為核心，連接溫濕度傳感器DHT11 構(gòu)成的溫濕度檢測(cè)電路、煙霧傳感器MQ-2 構(gòu)成的煙霧濃度檢測(cè)電路、紅外人體傳感器HCSR501 構(gòu)成的人體檢測(cè)電路 、無(wú)線串口模塊構(gòu)成的無(wú)線傳輸電路、繼電器和微型電機(jī)構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路以及由蜂鳴器和LED 燈組成用來(lái)提醒的警報(bào)電路。設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)框圖

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 STM32 單片機(jī)核心電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用STM32F103RCT6 單片機(jī)為中心控制器。該單片機(jī)是意法半導(dǎo)體（ST）基于ARM Cortex M3 處理器內(nèi)核的 32 位閃存微控制器，支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤，擁有強(qiáng)勁的性能和豐富的資源，包括高達(dá)128K 字節(jié)的FLASH（閃存）儲(chǔ)存器和20K 字節(jié)的SRAM（靜態(tài)隨機(jī)存取）存儲(chǔ)器，三個(gè)通用定時(shí)器和一個(gè)高級(jí)控制定時(shí)器，兩個(gè)SPI 通信接口、兩個(gè)I2C 通信接口、三個(gè)USATR 通信接口，一個(gè)USB 和一個(gè)CAN 通信接口，以及51 個(gè)GPIO 端口和兩個(gè)16 通道的12 位ADC 模塊。對(duì)于使用同一平臺(tái)進(jìn)行多個(gè)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)而言，STM32 是最佳的選擇[1~2]。STM32F103 系列單片機(jī)MCU部分電路如圖2 所示。

圖2 STM32F103 系列單片機(jī)MCU 部分電路

3.2 DHT11 溫濕模塊

DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器是一款復(fù)合型傳感器，含有已校準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)輸出，在數(shù)字模塊采集方面和溫濕度傳感方面應(yīng)用了專用的技術(shù)，可確保產(chǎn)品的可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性[3]。在傳感器的內(nèi)部，使用了在極為精確的校驗(yàn)室中進(jìn)行過(guò)校準(zhǔn)并與高性能8 位單片機(jī)相連接的電阻式感濕元件和NTC 測(cè)溫元件，校準(zhǔn)的系數(shù)會(huì)以程序的形式存儲(chǔ)在OTP 內(nèi)存中等待調(diào)用[4]。DHT11 的具體產(chǎn)品為單排的4 針引腳封裝，使用簡(jiǎn)單，采集濕度和溫度通過(guò)簡(jiǎn)單的電路連接就能夠進(jìn)行，且數(shù)據(jù)的傳輸僅只需要一個(gè)I/O 口就能通過(guò)單總線來(lái)完成。

3.3 MQ-2 煙霧檢測(cè)模塊

MQ-2 型煙霧傳感器是一種以金屬氧化物二氧化錫為主體，屬于表面離子式N 型半導(dǎo)體材料的氣敏型傳感器[5~6]。當(dāng)其溫度處于200℃~300℃時(shí)，空氣中的氧就會(huì)被二氧化錫吸附，形成氧的負(fù)離子吸附，而這時(shí)半導(dǎo)體中的電子密度也就會(huì)逐漸減少，半導(dǎo)體的電阻值逐漸增加。當(dāng)接觸到煙霧時(shí)，晶粒的勢(shì)壘因煙霧發(fā)生變化，半導(dǎo)體表面的導(dǎo)電率也就會(huì)隨之發(fā)生變化，所接觸的煙霧濃度越大，半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電率就越大，電路輸出電阻就越低，那么輸出的模擬信號(hào)就越大，經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換后就能得到具體的煙霧濃度值。

3.4 HC-SR501 人體檢測(cè)模塊

HC-SR501 模塊是一款基于熱釋電紅外線技術(shù)的自動(dòng)控制產(chǎn)品，是通過(guò)檢測(cè)人體發(fā)射的紅外線控制輸出電信號(hào)實(shí)現(xiàn)其功能，原理與壓電效應(yīng)相似。是將陶瓷氧化物或壓電晶體元件的兩個(gè)表面做成電極，當(dāng)有人靠近，人體周圍的溫度產(chǎn)生變化，熱釋電效應(yīng)在電極上產(chǎn)生電荷形成電壓。

3.5 無(wú)線串口傳輸模塊

XL01-232 是基于UART（通用異步收發(fā)器）接口的半雙工無(wú)線傳輸模塊，在實(shí)際中用于各種串口設(shè)備之間的無(wú)線通訊。

PL2303HX 是一種高度集成的USB 接口電平轉(zhuǎn)換器，該器件內(nèi)置USB 功能控制器、USB 收發(fā)器、振蕩器以及UART，可實(shí)現(xiàn)USB 信號(hào)的轉(zhuǎn)換，與XL01-232 相配合，可實(shí)現(xiàn)PC與STM32單片機(jī)之間的指令傳輸。

3.6 警報(bào)電路、電氣驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

(1)警報(bào)電路主要由LED 發(fā)光燈和蜂鳴器構(gòu)成。LED 燈主要是與限流電阻串聯(lián)，連接電源與單片機(jī)I/O 口，構(gòu)成一個(gè)燈光警示電路。在檢測(cè)到有人靠近，或者PC 向單片機(jī)發(fā)送查看溫度、濕度、煙霧濃度、開(kāi)啟監(jiān)控指令時(shí)，單片機(jī)就會(huì)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的I/O 口，使對(duì)應(yīng)的LED 燈閃爍，進(jìn)行提示。設(shè)計(jì)中使用低電平觸發(fā)的無(wú)源蜂鳴器，通過(guò)開(kāi)關(guān)三極管與限流電阻連接電源和單片機(jī)I/O 口，構(gòu)成一個(gè)聲音報(bào)警電路，用于煙霧濃度過(guò)高報(bào)警。

(2)電氣驅(qū)動(dòng)電路主要由繼電器和微型電機(jī)構(gòu)成，用于模擬當(dāng)溫度濕度過(guò)高時(shí)的除濕降溫。電路中，繼電器是作為一個(gè)可控制開(kāi)關(guān)，在接到指令時(shí)就會(huì)進(jìn)行動(dòng)作，來(lái)使電機(jī)接通電源或斷開(kāi)電源。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 主流程圖

設(shè)計(jì)主要通過(guò)各個(gè)檢測(cè)模塊檢測(cè)數(shù)據(jù)，將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?2單片機(jī)，在顯示屏上顯示并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行判定，當(dāng)這些數(shù)據(jù)值比閾值小時(shí)，系統(tǒng)不動(dòng)作，繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行判定；當(dāng)比設(shè)定值大時(shí)，通過(guò)相應(yīng)的I/O 驅(qū)動(dòng)報(bào)警器、電機(jī)和LED 燈，并向PC 發(fā)送提醒信息。具體流程如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)主流程

4.2 無(wú)線指令控制模塊

此模塊是通過(guò)無(wú)線傳輸模塊，手動(dòng)發(fā)送指令（WENDU、SHIDU、YANWU、JIANKONG）查看各項(xiàng)數(shù)據(jù)和驅(qū)動(dòng)相應(yīng)設(shè)備，進(jìn)行降溫除濕和監(jiān)控。

無(wú)線指令模塊流程如圖4 所示。

圖4 無(wú)線指令控制模塊流程

指令模塊部分程序如下：

5 系統(tǒng)測(cè)試

功能測(cè)試，將編譯成功的程序下載到STM32 單片機(jī)，對(duì)各項(xiàng)功能進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試情況如下。

（1）溫度、濕度、煙霧濃度的檢測(cè)

如圖5 所示。

圖5 溫度、濕度、煙霧濃度檢測(cè)

圖6 人體檢測(cè)

圖7 無(wú)線指令“WENDU”控制檢測(cè)

圖8 無(wú)線指令“SHIDU”控制檢測(cè)

圖9 無(wú)線指令“YANWU”控制檢測(cè)

圖10 無(wú)線指令“JIANKONG”控制檢測(cè)

（2）人體檢測(cè)

當(dāng)有人靠近時(shí)能夠自主開(kāi)啟監(jiān)控設(shè)備（LED 燈亮代替監(jiān)控設(shè)備開(kāi)啟），并向用戶發(fā)送消息。

（3）無(wú)線發(fā)送指令“WENDU”控制檢測(cè)

經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，通過(guò)無(wú)線串口發(fā)送“WENDU”指令，能夠及時(shí)獲得當(dāng)時(shí)溫度信息，相應(yīng)的LED 指示燈也能亮。

（4）無(wú)線發(fā)送指令“SHIDU”控制檢測(cè)

經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，通過(guò)無(wú)線串口發(fā)送“SHIDU”指令，能夠及時(shí)獲得當(dāng)時(shí)濕度信息，相應(yīng)的LED 指示燈也能亮，降溫除濕的電機(jī)設(shè)備（黃色LED 燈）也能正常驅(qū)動(dòng)。

（5）無(wú)線發(fā)送指令“YANWU”控制檢測(cè)

經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，通過(guò)無(wú)線串口發(fā)送“YANWU”指令，能夠及時(shí)獲得當(dāng)時(shí)煙霧濃度信息，相應(yīng)的LED 指示燈也能亮。

（6）無(wú)線發(fā)送指令“JIANKONG”控制檢測(cè)

經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，通過(guò)無(wú)線串口發(fā)送“JIANKONG”指令，監(jiān)控設(shè)備會(huì)馬上開(kāi)啟（LED 燈亮），并回復(fù)“OK”。

6 設(shè)計(jì)總結(jié)

以STM32F103RCT 單片機(jī)作為智能監(jiān)控系統(tǒng)的核心控制器，通過(guò)溫度、濕度、煙霧以及紅外傳感器對(duì)周圍的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后設(shè)置報(bào)警閾值，當(dāng)某一環(huán)境數(shù)據(jù)超出閾值時(shí)，就會(huì)觸發(fā)報(bào)警電路，同時(shí)嵌入式控制器會(huì)發(fā)送相應(yīng)的信息，通過(guò)無(wú)線串口模塊傳輸給用戶。用戶也可以通過(guò)無(wú)線串口模塊發(fā)送相應(yīng)的指令信息，來(lái)控制相應(yīng)的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。經(jīng)過(guò)多次的調(diào)試后，確認(rèn)本設(shè)計(jì)成功實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的要求和功能。