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基于STM32 環境智能監測、報警系統（硬件+上位機、下位機源碼+設計報告等）

來源：中電網

2021-12-02

類別：安防監控

拍明

原標題：基于STM32 環境智能監測、報警系統（硬件+上位機、下位機源碼+設計報告等）

一、系統概述
本系統為基于STM32微控制器的智能監測報警系統，主要應用于環境安全、工業監控及家庭安防等場景。系統通過集成溫濕度、煙霧、有毒氣體、光照等多種傳感器，實現對環境數據的實時采集和處理。系統分為上位機和下位機兩部分，下位機采用STM32作為主控芯片，通過傳感器采集數據并執行預設的報警策略，上位機負責對數據的顯示、存儲和遠程監控。系統具有實時性高、穩定性好、擴展性強、報警靈敏等特點。

本設計報告包括以下主要內容：

系統整體結構設計；
關鍵硬件電路設計方案；
各主要元器件型號的詳細選型說明；
電路框圖及其說明；
上位機與下位機的源碼設計與解析；
系統調試、測試方案及總結。

二、系統整體結構設計
本系統采用分布式監控架構，主要由以下幾部分組成：

傳感器模塊：負責對環境參數進行采集。包括溫度、濕度、煙霧、有毒氣體、光照、震動等傳感器，能夠全面反映現場環境狀況；
STM32下位機：采用高性能低功耗的STM32微控制器作為核心處理單元，實時采集傳感器數據，對數據進行處理和預判，并控制報警輸出；
報警模塊：包括蜂鳴器、LED指示燈及繼電器驅動的外部報警裝置，在出現異常情況時及時發出聲光報警；
通訊模塊：主要采用RS232/RS485、CAN、WIFI或GSM模塊，保證數據能實時傳輸至上位機；
上位機軟件：在PC端運行，提供友好的用戶界面，實現數據監控、報警記錄、統計分析及遠程控制等功能；
電源模塊：為系統各部分提供穩定、隔離的電源，保證系統長期穩定運行。

系統整體結構圖如下（框圖為示意）：

該框圖直觀地展示了各模塊之間的數據流和控制關系。下文將詳細說明各模塊的設計細節與關鍵元器件選型。

三、關鍵硬件電路設計

STM32下位機設計
下位機的核心是STM32微控制器，本設計中選用的是STM32F103C8T6型號，其主要特點如下：

處理器核心：ARM Cortex-M3，具有較高的處理速度和較低的功耗；
工作頻率：72MHz，滿足多任務數據處理和實時響應的要求；
豐富的外設接口：具備USART、SPI、I2C、ADC、定時器等接口，方便與各類傳感器及通信模塊連接；
開發成本低、社區資源豐富：廣泛應用于嵌入式系統設計中，資料齊全，便于開發和調試。

傳感器模塊設計
針對環境監測需求，本系統選用了以下主要傳感器：

型號選擇：SW-420用于簡單的振動檢測。
作用：監測環境是否存在異常振動或外力干擾。
選用理由：結構簡單、成本低、靈敏度適中，能夠滿足初級報警需求。

型號選擇：BH1750為數字光強傳感器，具有較高的測量精度。
作用：檢測環境光照強度，輔助判斷環境狀態。
選用理由：易于使用、I2C接口通信穩定、體積小。

型號選擇：MQ-135可檢測空氣中多種有害氣體（氨氣、硫化物等）。
作用：監控室內外空氣質量，對環境污染進行報警。
選用理由：檢測范圍廣、響應時間短，適用于環境監測系統。

型號選擇：MQ-2廣泛用于檢測煙霧、可燃氣體及酒精氣體。
作用：檢測空氣中的煙霧濃度，及時預警火災風險。
選用理由：成本低、靈敏度高、響應快，適合早期火災預警。

型號選擇：SHT30在精度和響應速度上表現較好，且體積小、功耗低。
作用：實時檢測環境溫度和濕度變化。
選用理由：數據精度高、抗干擾能力強、數字輸出接口便于與STM32連接。

溫濕度傳感器（如SHT30或DHT22）
煙霧傳感器（如MQ-2）
有毒氣體傳感器（如MQ-135）
光照傳感器（如BH1750）
震動傳感器（如SW-420）

報警模塊設計
系統采用多種報警方式進行提示：

型號選擇：常用繼電器模塊如Songle SRD-05VDC-SL-C。
作用：在高功率設備（如報警器、警示燈）控制中起到隔離和驅動作用。
選用理由：接口匹配、驅動能力強、價格適中、使用安全性高。

型號選擇：高亮LED燈（如T-1 5mm紅色LED）。
作用：通過光信號直觀展示系統運行狀態及報警狀態。
選用理由：響應迅速、顏色鮮明、壽命長。

型號選擇：常用的有源蜂鳴器（如KY-012），無需外加振蕩電路。
作用：在異常狀態下發出聲音報警。
選用理由：結構簡單、接口兼容性好、體積小、功耗低。

蜂鳴器
LED指示燈
繼電器驅動模塊

通訊模塊設計
為實現與上位機之間的數據傳輸，本系統可根據實際需要選用以下模塊：

型號選擇：SIM900模塊常用于遠程報警短信通知。
作用：通過移動網絡實現報警信息遠程傳輸。
選用理由：覆蓋范圍廣、成熟穩定、應用廣泛。

型號選擇：ESP8266或ESP32均為較好的選擇。
作用：實現無線數據傳輸，便于遠程監控。
選用理由：體積小、成本低、支持多種工作模式。

型號選擇：采用MAX232芯片實現TTL電平與RS232電平的轉換；RS485通信可采用SN75176。
作用：穩定、遠距離數據傳輸；適用于工業環境。
選用理由：成熟可靠、抗干擾能力強、接口標準。

RS232/RS485通信模塊
WIFI模塊
GSM模塊

電源模塊設計
系統電源模塊設計要求：

穩壓電源模塊：選用LM7805等穩壓芯片，為STM32及外圍器件提供5V電源；
隔離電源設計：部分模塊如繼電器、通訊模塊采用隔離設計，保證系統安全穩定運行；
備用電源：在斷電情況下，系統具備電池供電功能，確保報警信息不中斷傳輸。

四、元器件選型詳細說明

STM32F103C8T6

功能：作為主控芯片，負責整體數據采集、處理及通訊控制。
選用理由：采用ARM Cortex-M3內核，具有較高的運算速度（72MHz），豐富的I/O接口和外設，適用于多任務處理；開發環境成熟，具有完善的庫函數和社區支持。
作用：協調各模塊工作，確保實時采集與報警功能。

SHT30溫濕度傳感器

功能：檢測環境溫度和濕度數據，數字輸出，便于直接讀取。
選用理由：測量精度高、響應時間短、I2C接口便于與STM32連接；具有防塵、防水功能，適用于惡劣環境監測。
作用：實時監控環境溫濕度變化，為判斷火災等異常情況提供數據支撐。

MQ-2煙霧傳感器

功能：檢測煙霧、可燃氣體及酒精濃度。
選用理由：結構成熟、成本低、靈敏度高，適用于火災預警及有害氣體監測。
作用：當煙霧濃度超過預設閾值時，觸發報警電路。

MQ-135有毒氣體傳感器

功能：檢測空氣中多種有害氣體（如氨氣、硫化氫等），評估空氣質量。
選用理由：檢測范圍廣、響應速度快、適用于室內外空氣質量檢測；具有較高的抗干擾能力。
作用：提供環境污染監測數據，及時預警室內外空氣質量惡化。

BH1750數字光照傳感器

功能：通過I2C接口輸出當前環境光照強度。
選用理由：體積小、精度高、功耗低；適合用于實時光照監測。
作用：檢測環境光照變化，輔助判斷異常狀態。

SW-420震動傳感器

功能：檢測環境中的振動情況，產生開關量輸出。
選用理由：結構簡單、成本低、響應迅速；適用于入侵檢測和設備異常監控。
作用：當檢測到異常震動時，向STM32發送信號以啟動報警。

蜂鳴器（KY-012有源蜂鳴器）

功能：在報警時發出高分貝聲音，提示用戶及時處理異常情況。
選用理由：無需額外驅動電路，接口直接；體積小、易于集成。
作用：作為聲光報警的重要部分，與LED指示燈及繼電器聯動工作。

繼電器模塊（Songle SRD-05VDC-SL-C）

功能：實現高電壓、大功率設備的隔離控制。
選用理由：驅動能力強、響應速度快、安全性高；適合控制外部報警設備或執行緊急斷電操作。
作用：在系統檢測到異常情況后，通過繼電器控制外部設備（如大功率報警燈、警示音響）啟動。

通訊模塊芯片

選用理由：具備良好的抗干擾性能，確保在復雜環境下數據傳輸的可靠性。

選用理由：電路簡單、信號穩定、成熟度高；適用于數據長距離傳輸。

MAX232芯片：用于TTL與RS232電平轉換，實現與PC上位機的穩定串口通信。
SN75176芯片：用于RS485總線通信，適合工業現場的抗干擾要求。

ESP8266 WIFI模塊 / SIM900 GSM模塊

功能：實現無線網絡和移動網絡數據傳輸。
選用理由：ESP8266體積小、成本低、易于集成；SIM900則在無網絡覆蓋區域提供短信報警功能；兩者均具備良好的通信穩定性。
作用：根據應用場景實現遠程監控與報警信息傳輸，提升系統的靈活性和可擴展性。

電源管理芯片（LM7805等穩壓模塊）

功能：為系統各部分提供穩定的直流電源。
選用理由：價格低廉、調壓精準、負載能力適中；確保整個系統在電壓波動情況下依然穩定運行。
作用：為STM32、傳感器、通訊模塊等提供穩定的5V電源，確保數據采集與處理的準確性。

五、電路框圖設計

根據上述各模塊選型，系統電路框圖設計方案如下：

核心控制部分

STM32F103C8T6作為中央處理單元，其各GPIO口分別連接各傳感器數據輸出及控制信號輸入；
內部ADC接口采集模擬傳感器信號，I2C接口連接數字傳感器（如BH1750、SHT30）；
定時器和串口用于數據處理、任務調度和通信模塊的數據交換。

傳感器數據采集電路

溫濕度傳感器SHT30采用I2C總線，接入STM32的SCL和SDA引腳，并通過上拉電阻確保通信穩定；
煙霧傳感器MQ-2與MQ-135采用電阻分壓電路接入STM32 ADC口，確保傳感器輸出電壓在ADC采集范圍內；
光照傳感器BH1750同樣采用I2C接口；
震動傳感器SW-420的數字輸出接入STM32的數字IO口，檢測狀態變化后通過中斷響應。

報警控制電路

蜂鳴器直接由STM32的數字輸出控制，通過一個簡單的驅動電路（經由三極管放大），實現響鈴報警；
LED指示燈通過限流電阻連接到STM32相應輸出口，在報警或正常狀態下改變閃爍模式；
繼電器模塊由單獨的驅動電路控制，STM32輸出信號經隔離模塊（光耦或晶體管驅動）驅動繼電器，繼電器輸出接入外部高功率報警設備。

通訊電路

RS232通訊電路采用MAX232芯片，將STM32 TTL信號轉換為RS232標準信號，連接到上位機串口；
如需使用RS485，則在STM32與SN75176之間采用差分信號傳輸，確保長距離數據傳輸的穩定性；
WIFI模塊或GSM模塊通過串口或SPI接口與STM32連接，實現無線數據傳輸。

電源電路

主電源采用直流電源適配器輸入，經過LM7805穩壓模塊輸出穩定的5V電壓；
各模塊分別采用濾波電容、電感進行電源去耦設計，保證系統在干擾情況下依然穩定工作；
電源電路中還設計了過流、過壓保護電路，確保突發異常情況下系統不會損壞。

下圖為簡化的電路框圖示意：

六、上位機設計

上位機軟件主要負責對下位機上傳的數據進行實時顯示、存儲、統計分析及報警記錄。主要模塊包括：

數據采集模塊

通過串口或網絡接口接收來自STM32的數據包，進行初步解析與校驗；
根據數據類型（溫濕度、煙霧濃度、氣體濃度、光照強度等）進行分類處理。

數據顯示與記錄模塊

采用圖形化界面顯示實時監測數據，支持數據折線圖、柱狀圖等多種顯示方式；
數據可存入數據庫或本地文件，方便日后查詢與統計分析。

報警信息處理模塊

當接收到異常報警數據時，上位機將即時彈出報警窗口，并通過聲音、短信、郵件等多種方式進行提醒；
系統同時記錄報警發生的時間、報警類型及相關參數，為后續故障分析提供依據。

遠程監控與控制模塊

支持遠程登錄，上位機可對系統進行參數設置、報警策略調整及數據查詢；
實現歷史數據查詢及統計報表生成功能。

上位機程序可使用Visual Studio編寫，語言選用C#或VB.NET，基于.Net Framework平臺開發。其關鍵源碼模塊包括：

// 示例：C# 偽代碼，串口數據讀取部分
using System;
using System.IO.Ports;
using System.Threading;

public class SerialDataReceiver {
    SerialPort serialPort;
    public SerialDataReceiver(string portName, int baudRate) {
        serialPort = new SerialPort(portName, baudRate);
        serialPort.DataReceived += new SerialDataReceivedEventHandler(DataReceivedHandler);
        serialPort.Open();
    }
    private void DataReceivedHandler(object sender, SerialDataReceivedEventArgs e) {
        SerialPort sp = (SerialPort)sender;
        string data = sp.ReadExisting();
        // 數據解析與處理
        ProcessData(data);
    }
    private void ProcessData(string data) {
        // 根據預設協議解析溫度、濕度、煙霧濃度等數據，并更新界面顯示
    }
}

此外，上位機界面采用WinForm實現，具備實時數據顯示、報警記錄查詢、參數設置等功能。各模塊之間通過事件驅動機制實現數據交互，確保系統反應迅速、穩定性好。

七、下位機源碼設計與解析

下位機源碼主要基于STM32標準外設庫或HAL庫開發，分為初始化、傳感器數據采集、數據處理、報警判斷、通訊發送等多個任務。下面給出部分關鍵代碼示例及詳細解析：

系統初始化代碼
包括系統時鐘、GPIO、ADC、I2C、USART等外設初始化。

// 示例：STM32 HAL庫初始化代碼
#include "stm32f1xx_hal.h"

void SystemClock_Config(void) {
    RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
    RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};
    RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
    RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLMUL = RCC_PLL_MUL9;
    if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK) {
        // 錯誤處理
    }
    RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK | RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK |
                                  RCC_CLOCKTYPE_PCLK1 | RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
    RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
    RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
    RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
    RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
    if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2) != HAL_OK) {
        // 錯誤處理
    }
}

上述代碼中，系統時鐘配置確保了STM32以72MHz的頻率穩定運行，為各任務調度提供時基支持。其他外設的初始化（GPIO、ADC、I2C、UART）代碼類似，此處略去冗余部分。

傳感器數據采集與處理
通過輪詢或中斷方式采集各傳感器數據，對采集到的溫度、濕度、煙霧、氣體、光照及震動等信號進行濾波、校準，并依據預設閾值判斷是否觸發報警。

// 示例：采集溫濕度數據（偽代碼）
void Read_SHT30(void) {
    uint8_t cmd[2] = {0x2C, 0x06};
    uint8_t data[6] = {0};
    HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, SHT30_ADDR, cmd, 2, 100);
    HAL_Delay(50);
    HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, SHT30_ADDR, data, 6, 100);
    // 數據解析：轉換成實際溫度、濕度值
}

報警判斷與信號輸出
根據采集數據與預設閾值進行比較，當某項數據超出設定范圍時，調用報警輸出函數，驅動蜂鳴器、LED及繼電器模塊。

void Check_Alarm(void) {
    if (temperature > TEMP_THRESHOLD || smoke > SMOKE_THRESHOLD || gas > GAS_THRESHOLD) {
        // 激活蜂鳴器與LED
        HAL_GPIO_WritePin(BEEP_GPIO_Port, BEEP_Pin, GPIO_PIN_SET);
        HAL_GPIO_WritePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin, GPIO_PIN_SET);
        // 控制繼電器輸出報警信號
        HAL_GPIO_WritePin(RELAY_GPIO_Port, RELAY_Pin, GPIO_PIN_SET);
        // 發送報警信息到上位機
        Send_Alarm_Data();
    } else {
        HAL_GPIO_WritePin(BEEP_GPIO_Port, BEEP_Pin, GPIO_PIN_RESET);
        HAL_GPIO_WritePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin, GPIO_PIN_RESET);
        HAL_GPIO_WritePin(RELAY_GPIO_Port, RELAY_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    }
}

數據通訊發送
采用UART或其他通信協議，將數據打包成預定義格式發送至上位機。

void Send_Alarm_Data(void) {
    char buffer[50];
    sprintf(buffer, "TEMP:%.2f,HUM:%.2f,SMOKE:%d
", temperature, humidity, smoke);
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)buffer, strlen(buffer), 100);
}

下位機整個源碼中，各任務采用循環調度方式進行數據采集、處理與通訊，確保系統在實時性與穩定性方面達到預期效果。

八、系統調試與測試

單元模塊測試
在正式集成前，對各傳感器模塊、報警輸出模塊、通訊模塊及電源模塊進行單獨測試。采用示波器、萬用表及邏輯分析儀檢測各模塊信號，確保每個部分均正常工作；
集成調試
將所有模塊接入STM32進行整體調試，通過上位機軟件實時顯示數據，并模擬異常情況，檢測系統報警響應時間和穩定性；
現場測試
在實際環境中對系統進行長期監控，檢查數據采集的準確性、通訊穩定性以及報警功能的可靠性，記錄各項測試數據，并根據反饋進行參數調整與優化；
軟件仿真測試
使用仿真軟件對上位機與下位機之間的通訊協議、數據格式進行模擬測試，確保軟件在各種異常情況下均能穩定運行；
環境適應性測試
對系統在高溫、高濕、強電磁干擾環境下的性能進行測試，驗證各元器件選型與電路設計是否滿足要求。

九、系統總結與展望

本設計通過對STM32F103C8T6及各類傳感器、通訊模塊、報警裝置的精心選型和電路設計，構建了一套功能完善、性能穩定、響應迅速的智能監測報警系統。系統具有如下優點：

實時性與穩定性
采用高性能STM32主控芯片，結合精密傳感器，實現了實時數據采集與處理，確保在環境異常時第一時間響應報警。
多種通訊方式
系統支持RS232/RS485、WIFI及GSM等多種通訊方式，滿足不同應用場景下的數據傳輸需求，增強了系統的擴展性與兼容性。
靈活報警機制
通過蜂鳴器、LED指示燈與繼電器等多種報警方式，在第一時間內將異常情況反饋給用戶，提升了安全性。
軟件與硬件協同優化
上位機與下位機協同工作，實時顯示數據并存儲報警記錄，便于后續數據統計與故障分析；同時，模塊化設計使得系統具有良好的擴展性，后期可增加更多傳感器與功能模塊。
良好的環境適應性
系統在電源設計、抗干擾設計方面經過充分考慮，適用于各種復雜環境下的長期運行。

展望未來，隨著物聯網、大數據及人工智能技術的不斷發展，本系統在功能上將進一步拓展：

數據智能分析：結合云計算與大數據，對采集到的海量環境數據進行智能分析，實現預警策略的動態調整；
遠程控制與管理：進一步完善上位機軟件，實現基于移動APP或WEB平臺的遠程監控及控制；
模塊化擴展：根據用戶需求，增加更多功能模塊，如視頻監控、定位追蹤等，構建更加全面的智能安防系統；
低功耗設計：通過優化硬件電路及軟件算法，實現更低功耗的設計，滿足長時間獨立運行需求。

總之，本設計報告詳細介紹了基于STM32的智能監測報警系統的設計思路、關鍵元器件選型、電路框圖、上位機與下位機的源碼實現以及調試測試過程。通過對每個模塊及元器件的全面分析和實際測試，系統在可靠性、實時性、穩定性及擴展性方面均表現優異，為后續在環境監測、工業安全及家庭安防等領域的實際應用提供了堅實的技術保障。

十、附錄：完整源碼及電路原理圖說明

下位機完整源碼
下列代碼為部分核心功能代碼匯總，完整源碼包含系統初始化、傳感器數據采集、數據處理、報警判斷及通訊發送等模塊。

/* main.c 偽代碼示例 */
#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "usart.h"
#include "i2c.h"
#include "gpio.h"
#include "adc.h"

float temperature = 0.0, humidity = 0.0;
uint16_t smoke = 0, gas = 0;
#define TEMP_THRESHOLD 50.0
#define SMOKE_THRESHOLD 300
#define GAS_THRESHOLD 250

void System_Init(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_USART1_UART_Init();
    MX_I2C1_Init();
    MX_ADC1_Init();
}

int main(void) {
    System_Init();
    while(1) {
        Read_SHT30();      // 溫濕度采集
        Read_MQ_Sensors(); // 煙霧與氣體采集
        Read_BH1750();     // 光照采集
        Check_Alarm();     // 報警判斷
        HAL_Delay(200);    // 循環延時
    }
}

上位機完整源碼
上位機源碼包括數據采集、數據解析、實時顯示及報警處理模塊，以下為數據接收部分示例代碼：

// C# 上位機數據接收偽代碼
using System;
using System.IO.Ports;
using System.Windows.Forms;

public partial class MainForm : Form {
    SerialPort sp = new SerialPort("COM3", 9600);
    public MainForm() {
        InitializeComponent();
        sp.DataReceived += new SerialDataReceivedEventHandler(DataReceivedHandler);
        sp.Open();
    }
    private void DataReceivedHandler(object sender, SerialDataReceivedEventArgs e) {
        string data = sp.ReadExisting();
        this.BeginInvoke(new Action(() => {
            ProcessData(data);
        }));
    }
    private void ProcessData(string data) {
        // 數據解析邏輯，更新界面顯示
        textBoxData.AppendText(data + Environment.NewLine);
    }
}