基于STM32 的智能监控系统设计

王宝堃，吴佳乐，董铮

（湖北文理学院 计算机工程学院，湖北襄阳，441053）

1 研究背景及意义

21 世纪是一个高速发展的智能化时代，各种科技产品在实际生活中的应用下，人们的生活方式也逐渐地发生改变，变得更简便、更加智能化。社会的进步，各种科技手段逐渐走进并影响人们的生活，使人们的生活是越来越智能化、越便捷。智能监控系统是为了帮助人们在享受科技带来的舒适、方便、便捷的生活时，提供安全的保障，帮助人们检测家庭内的环境数据，并进行一定程度上的调控，甚至消灭某些危险因素，避免在人为疏忽及其他情况下危险事件的发生。智能监控系统的研究与应用可以提高家庭的安全性，保护用户的人身以及财产安全，为用户节约时间，有利于居家生活的环保、安全、节能等，为社会的可持续发展做出贡献。

2 系统设计方案

系统主要以STM32F103RCT6 单片机为核心，连接温湿度传感器DHT11 构成的温湿度检测电路、烟雾传感器MQ-2 构成的烟雾浓度检测电路、红外人体传感器HCSR501 构成的人体检测电路 、无线串口模块构成的无线传输电路、继电器和微型电机构成的驱动电路以及由蜂鸣器和LED 灯组成用来提醒的警报电路。设计的结构框图如图1所示。

图1 系统具体结构框图

3 硬件设计

3.1 STM32 单片机核心电路设计

系统使用STM32F103RCT6 单片机为中心控制器。该单片机是意法半导体（ST）基于ARM Cortex M3 处理器内核的 32 位闪存微控制器，支持实时仿真和跟踪，拥有强劲的性能和丰富的资源，包括高达128K 字节的FLASH（闪存）储存器和20K 字节的SRAM（静态随机存取）存储器，三个通用定时器和一个高级控制定时器，两个SPI 通信接口、两个I2C 通信接口、三个USATR 通信接口，一个USB 和一个CAN 通信接口，以及51 个GPIO 端口和两个16 通道的12 位ADC 模块。对于使用同一平台进行多个项目开发而言，STM32 是最佳的选择[1~2]。STM32F103 系列单片机MCU部分电路如图2 所示。

图2 STM32F103 系列单片机MCU 部分电路

3.2 DHT11 温湿模块

DHT11 数字温湿度传感器是一款复合型传感器，含有已校准的数字信号输出，在数字模块采集方面和温湿度传感方面应用了专用的技术，可确保产品的可靠性和长期稳定性[3]。在传感器的内部，使用了在极为精确的校验室中进行过校准并与高性能8 位单片机相连接的电阻式感湿元件和NTC 测温元件，校准的系数会以程序的形式存储在OTP 内存中等待调用[4]。DHT11 的具体产品为单排的4 针引脚封装，使用简单，采集湿度和温度通过简单的电路连接就能够进行，且数据的传输仅只需要一个I/O 口就能通过单总线来完成。

3.3 MQ-2 烟雾检测模块

MQ-2 型烟雾传感器是一种以金属氧化物二氧化锡为主体，属于表面离子式N 型半导体材料的气敏型传感器[5~6]。当其温度处于200℃~300℃时，空气中的氧就会被二氧化锡吸附，形成氧的负离子吸附，而这时半导体中的电子密度也就会逐渐减少，半导体的电阻值逐渐增加。当接触到烟雾时，晶粒的势垒因烟雾发生变化，半导体表面的导电率也就会随之发生变化，所接触的烟雾浓度越大，半导体材料的导电率就越大，电路输出电阻就越低，那么输出的模拟信号就越大，经过A/D 转换后就能得到具体的烟雾浓度值。

3.4 HC-SR501 人体检测模块

HC-SR501 模块是一款基于热释电红外线技术的自动控制产品，是通过检测人体发射的红外线控制输出电信号实现其功能，原理与压电效应相似。是将陶瓷氧化物或压电晶体元件的两个表面做成电极，当有人靠近，人体周围的温度产生变化，热释电效应在电极上产生电荷形成电压。

3.5 无线串口传输模块

XL01-232 是基于UART（通用异步收发器）接口的半双工无线传输模块，在实际中用于各种串口设备之间的无线通讯。

PL2303HX 是一种高度集成的USB 接口电平转换器，该器件内置USB 功能控制器、USB 收发器、振荡器以及UART，可实现USB 信号的转换，与XL01-232 相配合，可实现PC与STM32单片机之间的指令传输。

3.6 警报电路、电气驱动电路设计

(1)警报电路主要由LED 发光灯和蜂鸣器构成。LED 灯主要是与限流电阻串联，连接电源与单片机I/O 口，构成一个灯光警示电路。在检测到有人靠近，或者PC 向单片机发送查看温度、湿度、烟雾浓度、开启监控指令时，单片机就会驱动相应的I/O 口，使对应的LED 灯闪烁，进行提示。设计中使用低电平触发的无源蜂鸣器，通过开关三极管与限流电阻连接电源和单片机I/O 口，构成一个声音报警电路，用于烟雾浓度过高报警。

(2)电气驱动电路主要由继电器和微型电机构成，用于模拟当温度湿度过高时的除湿降温。电路中，继电器是作为一个可控制开关，在接到指令时就会进行动作，来使电机接通电源或断开电源。

4 软件设计

4.1 主流程图

设计主要通过各个检测模块检测数据，将检测到的数据传输到32单片机，在显示屏上显示并对这些数据进行判定，当这些数据值比阈值小时，系统不动作，继续读取数据进行判定；当比设定值大时，通过相应的I/O 驱动报警器、电机和LED 灯，并向PC 发送提醒信息。具体流程如图3 所示。

图3 系统主流程

4.2 无线指令控制模块

此模块是通过无线传输模块，手动发送指令（WENDU、SHIDU、YANWU、JIANKONG）查看各项数据和驱动相应设备，进行降温除湿和监控。

无线指令模块流程如图4 所示。

图4 无线指令控制模块流程

指令模块部分程序如下：

5 系统测试

功能测试，将编译成功的程序下载到STM32 单片机，对各项功能进行测试。测试情况如下。

（1）温度、湿度、烟雾浓度的检测

如图5 所示。

图5 温度、湿度、烟雾浓度检测

图6 人体检测

图7 无线指令“WENDU”控制检测

图8 无线指令“SHIDU”控制检测

图9 无线指令“YANWU”控制检测

图10 无线指令“JIANKONG”控制检测

（2）人体检测

当有人靠近时能够自主开启监控设备（LED 灯亮代替监控设备开启），并向用户发送消息。

（3）无线发送指令“WENDU”控制检测

经过实际测试，通过无线串口发送“WENDU”指令，能够及时获得当时温度信息，相应的LED 指示灯也能亮。

（4）无线发送指令“SHIDU”控制检测

经过实际测试，通过无线串口发送“SHIDU”指令，能够及时获得当时湿度信息，相应的LED 指示灯也能亮，降温除湿的电机设备（黄色LED 灯）也能正常驱动。

（5）无线发送指令“YANWU”控制检测

经过实际测试，通过无线串口发送“YANWU”指令，能够及时获得当时烟雾浓度信息，相应的LED 指示灯也能亮。

（6）无线发送指令“JIANKONG”控制检测

经过实际测试，通过无线串口发送“JIANKONG”指令，监控设备会马上开启（LED 灯亮），并回复“OK”。

6 设计总结

以STM32F103RCT 单片机作为智能监控系统的核心控制器，通过温度、湿度、烟雾以及红外传感器对周围的环境数据进行采集，然后设置报警阈值，当某一环境数据超出阈值时，就会触发报警电路，同时嵌入式控制器会发送相应的信息，通过无线串口模块传输给用户。用户也可以通过无线串口模块发送相应的指令信息，来控制相应的设备，实现远程监控。经过多次的调试后，确认本设计成功实现了设计的要求和功能。