基于STM32设计的工地环境实时监测与控制系统

一、项目开发背景

随着城市化进程的推进，工地建设和拆迁作业逐渐增多，工地环境的空气污染、噪声污染等问题越来越严重。为了改善工地周边居民的生活环境和施工人员的工作环境，工地环境实时监测与控制系统应运而生。该系统通过实时监测空气中的PM2.5、噪声、温湿度等环境参数，将数据上传至云端平台进行存储和分析，从而实现对环境的实时监控和智能控制。

此外，本项目通过控制加湿系统降低空气中的粉尘浓度，确保工地作业环境符合安全和健康标准。通过将监测数据上传至云端服务器，项目还能够提供全面的环境可视化展示，便于施工方和管理方进行数据分析与决策。

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二、设计实现的功能

1. 支持检测空气中的PM2.5含量

系统通过使用夏普PM2.5传感器检测空气中的PM2.5浓度，并实时反馈到本地LCD显示屏，同时上传到云平台进行进一步分析。

2. 支持检测环境的噪声

通过噪声检测传感器检测周围环境的噪声水平，转换为电压信号，经过处理后得到噪声值，实时显示在LCD屏幕上并上传至云端。

3. 本地实时显示数据

采用1.44寸LCD显示屏，实时显示PM2.5浓度、噪声级别、温湿度值等环境数据，方便现场人员实时查看。

4. 数据上云并可视化展示

系统通过WIFI连接到华为云物联网服务器，实时上传采集到的环境数据。然后通过搭建自有的后端服务器，使用Python的socket模块从华为云获取数据，并通过Flask框架构建Web应用，展示环境监测数据的可视化大屏。

5. 设备端数据传输使用WIFI+MQTT协议

设备端（STM32）通过ESP8266模块连接WiFi，并使用MQTT协议将监测数据传输到华为云物联网平台。MQTT协议轻量且高效，非常适合物联网环境下的数据传输。

6. 加湿系统控制

当PM2.5浓度超过设定范围时，系统自动控制加湿器工作，通过继电器驱动喷洒水雾，降低空气中的粉尘浓度。

7. 支持环境温度和湿度检测

系统通过SHT30传感器实时监测环境的温度和湿度，数据通过STM32处理后显示在LCD上，并上传至云端平台。

三、项目硬件模块组成

1. 主控芯片：STM32F103RCT6
   • 负责处理所有传感器的信号，控制加湿器，并进行数据上传。
   • 支持GPIO、ADC、UART等接口，适用于本项目的各项需求。
2. PM2.5传感器（夏普）
   • 采用红外光散射原理，实时检测空气中的PM2.5浓度。
3. 噪声传感器
   • 模拟输出，通过转换为电压信号来表示噪声的强度。
4. LCD显示屏（1.44寸）
   • 用于实时显示环境数据，包括PM2.5浓度、噪声、温湿度等。
5. ESP8266 WiFi模块
   • 提供无线连接功能，将设备端数据通过WiFi传输到云端。
6. 继电器模块
   • 用于控制加湿器的开关，响应PM2.5浓度的变化，启动喷水加湿。
7. SHT30温湿度传感器
   • 精度高，稳定性好，用于检测环境的温度和湿度。
8. 电源模块（USB供电）
   • 提供稳定的5V电源，确保系统运行。

四、设计思路

1. 硬件设计

• 主控芯片STM32F103RCT6通过GPIO和ADC接口与PM2.5传感器、噪声传感器、SHT30温湿度传感器进行数据采集。
• 通过UART接口与ESP8266通信，进行WiFi连接和MQTT协议数据传输。
• LCD显示屏通过SPI接口与STM32连接，用于实时显示环境参数。
• 使用继电器控制加湿器，当PM2.5浓度超标时启动加湿器，保持工地环境的稳定。

2. 软件设计

• 使用Keil5开发环境编写STM32的控制程序，程序包括传感器数据采集、加湿器控制、LCD显示更新、WiFi连接、MQTT数据上传等功能。
• 在后端，使用Python的socket模块建立与云服务器的通信，通过Flask框架提供Web界面，展示云端环境数据。

3. 数据上传和可视化

• STM32通过ESP8266模块上传数据到华为云物联网平台，数据格式采用JSON。
• 后端服务器通过MQTT协议从华为云获取实时数据，使用Flask框架展示数据，并通过前端大屏进行实时数据可视化。

五、系统功能总结

六、使用的模块的技术详情介绍

1. PM2.5传感器（夏普）

• 工作原理：通过红外光散射原理检测空气中的颗粒物（如PM2.5）。
• 输出信号：通过数字信号输出PM2.5的浓度，单位为µg/m³。
• 精度：±10%（标准测试条件下）。

2. 噪声传感器

• 工作原理：根据声音的强度变化，输出与噪声大小成比例的电压信号。
• 输出信号：模拟电压输出。
• 测量范围：一般为30dB至120dB。

3. SHT30温湿度传感器

• 工作原理：通过电容式湿度传感器和温度传感器芯片实现高精度的温湿度检测。
• 输出信号：通过I2C总线输出温度（°C）和湿度（%RH）值。
• 精度：温度±0.3°C，湿度±2%RH。

4. ESP8266 WiFi模块

• 技术特点：支持WiFi协议、TCP/IP协议栈，具有独立的处理能力，可以作为WiFi终端连接到网络。
• 功能：用于无线数据传输，支持MQTT协议。

5. 继电器模块

• 用于控制电气设备（如加湿器），响应系统的控制信号。

6. LCD显示屏

• 技术特点：1.44寸的彩色LCD显示屏，分辨率128x128像素。
• 用途：实时显示环境数据，便于现场人员查看。

七、总结

本项目设计了一个基于STM32的工地环境实时监测与控制系统，涵盖了空气质量、噪声、温湿度的检测与展示，数据上云并可视化展示，通过控制加湿器自动调节空气质量。系统结合硬件和软件的设计，实现了环境监测与控制的智能化与自动化，提升了工地环境的安全性和舒适度，具有较高的实用价值。

八、STM32代码设计

其他子模块（如PM2.5传感器、噪声传感器、SHT30温湿度传感器、LCD显示、WiFi模块ESP8266等）的驱动和功能已经写好，只需要在main.c中整合这些模块，实现系统的整体功能。为了简化代码，重点展示如何初始化和使用这些模块。

#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "lcd.h"
#include "pm25.h"
#include "noise_sensor.h"
#include "sht30.h"
#include "wifi.h"
#include "mqtt.h"
#include "relay.h"

// 定义外部传感器和硬件接口
extern PM25_TypeDef pm25_sensor;    // PM2.5传感器实例
extern NoiseSensor_TypeDef noise_sensor;  // 噪声传感器实例
extern SHT30_TypeDef sht30_sensor;  // 温湿度传感器实例
extern Relay_TypeDef relay;         // 继电器控制实例
extern WifiModule_TypeDef wifi_module;  // ESP8266 WiFi模块
extern MQTT_Client_TypeDef mqtt_client;  // MQTT客户端

// 定义全局变量
float pm25_value = 0.0;    // 存储PM2.5浓度值
float noise_value = 0.0;   // 存储噪声值
float temperature = 0.0;   // 存储温度值
float humidity = 0.0;      // 存储湿度值

// 功能声明
void SystemClock_Config(void);
void MX_GPIO_Init(void);
void MX_USART1_UART_Init(void);
void MX_I2C1_Init(void);
void MX_SPI1_Init(void);

// 主程序
int main(void)
{
    // 初始化硬件
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_USART1_UART_Init();
    MX_I2C1_Init();
    MX_SPI1_Init();

    // 初始化外设
    LCD_Init();      // 初始化LCD显示屏
    PM25_Init(&pm25_sensor);  // 初始化PM2.5传感器
    NoiseSensor_Init(&noise_sensor);  // 初始化噪声传感器
    SHT30_Init(&sht30_sensor);  // 初始化SHT30温湿度传感器
    Relay_Init(&relay);    // 初始化继电器
    Wifi_Init(&wifi_module);  // 初始化WiFi模块
    MQTT_Init(&mqtt_client);  // 初始化MQTT客户端

    // 连接WiFi网络
    if (Wifi_Connect(&wifi_module)) {
        printf("WiFi Connected.\n");
    } else {
        printf("WiFi Connection Failed!\n");
    }

    // 连接MQTT服务器
    if (MQTT_Connect(&mqtt_client)) {
        printf("MQTT Connected.\n");
    } else {
        printf("MQTT Connection Failed!\n");
    }

    // 主循环
    while (1)
    {
        // 1. 获取环境数据
        pm25_value = PM25_Read(&pm25_sensor);  // 读取PM2.5浓度
        noise_value = NoiseSensor_Read(&noise_sensor);  // 读取噪声值
        SHT30_Read(&sht30_sensor, &temperature, &humidity);  // 读取温湿度

        // 2. 显示数据到LCD
        LCD_Clear();
        LCD_DisplayString("PM2.5: %.2f µg/m³", pm25_value);
        LCD_DisplayString("Noise: %.2f dB", noise_value);
        LCD_DisplayString("Temp: %.2f C", temperature);
        LCD_DisplayString("Humidity: %.2f %%", humidity);

        // 3. 控制加湿器（如果PM2.5超标）
        if (pm25_value > 100.0) {  // 如果PM2.5浓度超过100 µg/m³，启动加湿器
            Relay_SetState(&relay, RELAY_ON);  // 打开加湿器
        } else {
            Relay_SetState(&relay, RELAY_OFF);  // 关闭加湿器
        }

        // 4. 上传数据到云端
        char payload[256];
        snprintf(payload, sizeof(payload), 
                 "{\"pm25\": %.2f, \"noise\": %.2f, \"temperature\": %.2f, \"humidity\": %.2f}", 
                 pm25_value, noise_value, temperature, humidity);
        
        // 发布数据到MQTT服务器
        MQTT_Publish(&mqtt_client, "environment/data", payload);

    }
}

代码解析

1. 硬件初始化：
   • 在main()函数的开头，通过HAL_Init()初始化HAL库，然后调用各个硬件初始化函数初始化GPIO、串口、I2C和SPI接口。
   • 初始化LCD、PM2.5传感器、噪声传感器、SHT30传感器、WiFi模块和MQTT客户端。
2. 环境数据采集：
   • 使用传感器驱动函数（如PM25_Read()、NoiseSensor_Read()、SHT30_Read()）从相应的传感器获取PM2.5浓度、噪声值、温湿度值。
3. 数据展示：
   • 使用LCD显示模块在LCD上显示PM2.5、噪声、温湿度数据。
4. 加湿器控制：
   • 根据PM2.5浓度的阈值（如100 µg/m³），判断是否需要启动加湿器，通过Relay_SetState()函数控制继电器开关。
5. 数据上传：
   • 将读取的环境数据通过JSON格式上传至MQTT服务器。调用MQTT_Publish()将数据发布到指定的MQTT主题上。

以上代码展示了如何将各个子模块（传感器、WiFi、MQTT、继电器等）整合在一个STM32项目中，完成实时环境监测、数据展示、数据上传和控制加湿器的功能。