基于STM32設(shè)計的工地環(huán)境實時監(jiān)測與控制系統(tǒng)

一、項目開發(fā)背景

隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，工地建設(shè)和拆遷作業(yè)逐漸增多，工地環(huán)境的空氣污染、噪聲污染等問題越來越嚴(yán)重。為了改善工地周邊居民的生活環(huán)境和施工人員的工作環(huán)境，工地環(huán)境實時監(jiān)測與控制系統(tǒng)應(yīng)運而生。該系統(tǒng)通過實時監(jiān)測空氣中的PM2.5、噪聲、溫濕度等環(huán)境參數(shù)，將數(shù)據(jù)上傳至云端平臺進(jìn)行存儲和分析，從而實現(xiàn)對環(huán)境的實時監(jiān)控和智能控制。

此外，本項目通過控制加濕系統(tǒng)降低空氣中的粉塵濃度，確保工地作業(yè)環(huán)境符合安全和健康標(biāo)準(zhǔn)。通過將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至云端服務(wù)器，項目還能夠提供全面的環(huán)境可視化展示，便于施工方和管理方進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與決策。

二、設(shè)計實現(xiàn)的功能

1. 支持檢測空氣中的PM2.5含量

系統(tǒng)通過使用夏普PM2.5傳感器檢測空氣中的PM2.5濃度，并實時反饋到本地LCD顯示屏，同時上傳到云平臺進(jìn)行進(jìn)一步分析。

2. 支持檢測環(huán)境的噪聲

通過噪聲檢測傳感器檢測周圍環(huán)境的噪聲水平，轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)過處理后得到噪聲值，實時顯示在LCD屏幕上并上傳至云端。

3. 本地實時顯示數(shù)據(jù)

采用1.44寸LCD顯示屏，實時顯示PM2.5濃度、噪聲級別、溫濕度值等環(huán)境數(shù)據(jù)，方便現(xiàn)場人員實時查看。

4. 數(shù)據(jù)上云并可視化展示

系統(tǒng)通過WIFI連接到華為云物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，實時上傳采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)。然后通過搭建自有的后端服務(wù)器，使用Python的socket模塊從華為云獲取數(shù)據(jù)，并通過Flask框架構(gòu)建Web應(yīng)用，展示環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的可視化大屏。

5. 設(shè)備端數(shù)據(jù)傳輸使用WIFI+MQTT協(xié)議

設(shè)備端（STM32）通過ESP8266模塊連接WiFi，并使用MQTT協(xié)議將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)饺A為云物聯(lián)網(wǎng)平臺。MQTT協(xié)議輕量且高效，非常適合物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸。

6. 加濕系統(tǒng)控制

當(dāng)PM2.5濃度超過設(shè)定范圍時，系統(tǒng)自動控制加濕器工作，通過繼電器驅(qū)動噴灑水霧，降低空氣中的粉塵濃度。

7. 支持環(huán)境溫度和濕度檢測

系統(tǒng)通過SHT30傳感器實時監(jiān)測環(huán)境的溫度和濕度，數(shù)據(jù)通過STM32處理后顯示在LCD上，并上傳至云端平臺。

三、項目硬件模塊組成

1. 主控芯片：STM32F103RCT6
   • 負(fù)責(zé)處理所有傳感器的信號，控制加濕器，并進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳。
   • 支持GPIO、ADC、UART等接口，適用于本項目的各項需求。
2. PM2.5傳感器（夏普）
   • 采用紅外光散射原理，實時檢測空氣中的PM2.5濃度。
3. 噪聲傳感器
   • 模擬輸出，通過轉(zhuǎn)換為電壓信號來表示噪聲的強(qiáng)度。
4. LCD顯示屏（1.44寸）
   • 用于實時顯示環(huán)境數(shù)據(jù)，包括PM2.5濃度、噪聲、溫濕度等。
5. ESP8266 WiFi模塊
   • 提供無線連接功能，將設(shè)備端數(shù)據(jù)通過WiFi傳輸?shù)皆贫恕?/li>
6. 繼電器模塊
   • 用于控制加濕器的開關(guān)，響應(yīng)PM2.5濃度的變化，啟動噴水加濕。
7. SHT30溫濕度傳感器
   • 精度高，穩(wěn)定性好，用于檢測環(huán)境的溫度和濕度。
8. 電源模塊（USB供電）
   • 提供穩(wěn)定的5V電源，確保系統(tǒng)運行。

四、設(shè)計思路

1. 硬件設(shè)計

• 主控芯片STM32F103RCT6通過GPIO和ADC接口與PM2.5傳感器、噪聲傳感器、SHT30溫濕度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。
• 通過UART接口與ESP8266通信，進(jìn)行WiFi連接和MQTT協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸。
• LCD顯示屏通過SPI接口與STM32連接，用于實時顯示環(huán)境參數(shù)。
• 使用繼電器控制加濕器，當(dāng)PM2.5濃度超標(biāo)時啟動加濕器，保持工地環(huán)境的穩(wěn)定。

2. 軟件設(shè)計

• 使用Keil5開發(fā)環(huán)境編寫STM32的控制程序，程序包括傳感器數(shù)據(jù)采集、加濕器控制、LCD顯示更新、WiFi連接、MQTT數(shù)據(jù)上傳等功能。
• 在后端，使用Python的socket模塊建立與云服務(wù)器的通信，通過Flask框架提供Web界面，展示云端環(huán)境數(shù)據(jù)。

3. 數(shù)據(jù)上傳和可視化

• STM32通過ESP8266模塊上傳數(shù)據(jù)到華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺，數(shù)據(jù)格式采用JSON。
• 后端服務(wù)器通過MQTT協(xié)議從華為云獲取實時數(shù)據(jù)，使用Flask框架展示數(shù)據(jù)，并通過前端大屏進(jìn)行實時數(shù)據(jù)可視化。

五、系統(tǒng)功能總結(jié)

| 功能模塊 | 具體內(nèi)容 |

| ---------- | ------------------------------------------------------- |

| 環(huán)境監(jiān)測 | 檢測PM2.5、噪聲、溫濕度等環(huán)境數(shù)據(jù) |

| 本地顯示 | LCD顯示屏實時顯示各項監(jiān)測數(shù)據(jù) |

| 數(shù)據(jù)上傳 | 通過WiFi將數(shù)據(jù)上傳至華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺 |

| 數(shù)據(jù)展示 | 使用Flask框架搭建Web應(yīng)用，展示實時環(huán)境數(shù)據(jù) |

| MQTT協(xié)議 | 設(shè)備端與云平臺使用MQTT協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸 |

| 加濕器控制 | 根據(jù)PM2.5濃度自動控制加濕器，降低空氣中的粉塵濃度 |

| 后端服務(wù)器 | 使用Python和Flask框架搭建后端服務(wù)器，支持?jǐn)?shù)據(jù)獲取與展示 |

| 可視化大屏 | 提供前端大屏顯示，實時顯示環(huán)境數(shù)據(jù) |

六、使用的模塊的技術(shù)詳情介紹

1. PM2.5傳感器（夏普）

• 工作原理：通過紅外光散射原理檢測空氣中的顆粒物（如PM2.5）。
• 輸出信號：通過數(shù)字信號輸出PM2.5的濃度，單位為μg/m3。
• 精度：±10%（標(biāo)準(zhǔn)測試條件下）。

2. 噪聲傳感器

• 工作原理：根據(jù)聲音的強(qiáng)度變化，輸出與噪聲大小成比例的電壓信號。
• 輸出信號：模擬電壓輸出。
• 測量范圍：一般為30dB至120dB。

3. SHT30溫濕度傳感器

• 工作原理：通過電容式濕度傳感器和溫度傳感器芯片實現(xiàn)高精度的溫濕度檢測。
• 輸出信號：通過I2C總線輸出溫度（°C）和濕度（%RH）值。
• 精度：溫度±0.3°C，濕度±2%RH。

4. ESP8266 WiFi模塊

• 技術(shù)特點：支持WiFi協(xié)議、TCP/IP協(xié)議棧，具有獨立的處理能力，可以作為WiFi終端連接到網(wǎng)絡(luò)。
• 功能：用于無線數(shù)據(jù)傳輸，支持MQTT協(xié)議。

5. 繼電器模塊

• 用于控制電氣設(shè)備（如加濕器），響應(yīng)系統(tǒng)的控制信號。

6. LCD顯示屏

• 技術(shù)特點：1.44寸的彩色LCD顯示屏，分辨率128x128像素。
• 用途：實時顯示環(huán)境數(shù)據(jù)，便于現(xiàn)場人員查看。

七、總結(jié)

本項目設(shè)計了一個基于STM32的工地環(huán)境實時監(jiān)測與控制系統(tǒng)，涵蓋了空氣質(zhì)量、噪聲、溫濕度的檢測與展示，數(shù)據(jù)上云并可視化展示，通過控制加濕器自動調(diào)節(jié)空氣質(zhì)量。系統(tǒng)結(jié)合硬件和軟件的設(shè)計，實現(xiàn)了環(huán)境監(jiān)測與控制的智能化與自動化，提升了工地環(huán)境的安全性和舒適度，具有較高的實用價值。

八、STM32代碼設(shè)計

其他子模塊（如PM2.5傳感器、噪聲傳感器、SHT30溫濕度傳感器、LCD顯示、WiFi模塊ESP8266等）的驅(qū)動和功能已經(jīng)寫好，只需要在main.c中整合這些模塊，實現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能。為了簡化代碼，重點展示如何初始化和使用這些模塊。

#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"


// 定義外部傳感器和硬件接口

extern PM25_TypeDef pm25_sensor;    // PM2.5傳感器實例

extern NoiseSensor_TypeDef noise_sensor;  // 噪聲傳感器實例

extern SHT30_TypeDef sht30_sensor;  // 溫濕度傳感器實例

extern Relay_TypeDef relay;         // 繼電器控制實例

extern WifiModule_TypeDef wifi_module;  // ESP8266 WiFi模塊

extern MQTT_Client_TypeDef mqtt_client;  // MQTT客戶端


// 定義全局變量

float pm25_value = 0.0;    // 存儲PM2.5濃度值

float noise_value = 0.0;   // 存儲噪聲值

float temperature = 0.0;   // 存儲溫度值

float humidity = 0.0;      // 存儲濕度值


// 功能聲明

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();


    // 初始化外設(shè)

    LCD_Init();      // 初始化LCD顯示屏

    PM25_Init(&pm25_sensor);  // 初始化PM2.5傳感器

    NoiseSensor_Init(&noise_sensor);  // 初始化噪聲傳感器

    SHT30_Init(&sht30_sensor);  // 初始化SHT30溫濕度傳感器

    Relay_Init(&relay);    // 初始化繼電器

    Wifi_Init(&wifi_module);  // 初始化WiFi模塊

    MQTT_Init(&mqtt_client);  // 初始化MQTT客戶端


    // 連接WiFi網(wǎng)絡(luò)

    if (Wifi_Connect(&wifi_module)) {

        printf("WiFi Connected.n");

    } else {

        printf("WiFi Connection Failed!n");

    }


    // 連接MQTT服務(wù)器

    if (MQTT_Connect(&mqtt_client)) {

        printf("MQTT Connected.n");

    } else {

        printf("MQTT Connection Failed!n");

    }


    // 主循環(huán)

    while (1)

    {

        // 1. 獲取環(huán)境數(shù)據(jù)

        pm25_value = PM25_Read(&pm25_sensor);  // 讀取PM2.5濃度

        noise_value = NoiseSensor_Read(&noise_sensor);  // 讀取噪聲值

        SHT30_Read(&sht30_sensor, &temperature, &humidity);  // 讀取溫濕度


        // 2. 顯示數(shù)據(jù)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. 控制加濕器（如果PM2.5超標(biāo)）

        if (pm25_value > 100.0) {  // 如果PM2.5濃度超過100 μg/m3，啟動加濕器

            Relay_SetState(&relay, RELAY_ON);  // 打開加濕器

        } else {

            Relay_SetState(&relay, RELAY_OFF);  // 關(guān)閉加濕器

        }


        // 4. 上傳數(shù)據(jù)到云端

        char payload[256];

        snprintf(payload, sizeof(payload), 

                 "{"pm25": %.2f, "noise": %.2f, "temperature": %.2f, "humidity": %.2f}", 

                 pm25_value, noise_value, temperature, humidity);

        

        // 發(fā)布數(shù)據(jù)到MQTT服務(wù)器

        MQTT_Publish(&mqtt_client, "environment/data", payload);


    }

}

代碼解析

1. 硬件初始化：
   • 在main()函數(shù)的開頭，通過HAL_Init()初始化HAL庫，然后調(diào)用各個硬件初始化函數(shù)初始化GPIO、串口、I2C和SPI接口。
   • 初始化LCD、PM2.5傳感器、噪聲傳感器、SHT30傳感器、WiFi模塊和MQTT客戶端。
2. 環(huán)境數(shù)據(jù)采集：
   • 使用傳感器驅(qū)動函數(shù)（如PM25_Read()、NoiseSensor_Read()、SHT30_Read()）從相應(yīng)的傳感器獲取PM2.5濃度、噪聲值、溫濕度值。
3. 數(shù)據(jù)展示：
   • 使用LCD顯示模塊在LCD上顯示PM2.5、噪聲、溫濕度數(shù)據(jù)。
4. 加濕器控制：
   • 根據(jù)PM2.5濃度的閾值（如100 μg/m3），判斷是否需要啟動加濕器，通過Relay_SetState()函數(shù)控制繼電器開關(guān)。
5. 數(shù)據(jù)上傳：
   • 將讀取的環(huán)境數(shù)據(jù)通過JSON格式上傳至MQTT服務(wù)器。調(diào)用MQTT_Publish()將數(shù)據(jù)發(fā)布到指定的MQTT主題上。

以上代碼展示了如何將各個子模塊（傳感器、WiFi、MQTT、繼電器等）整合在一個STM32項目中，完成實時環(huán)境監(jiān)測、數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)上傳和控制加濕器的功能。

審核編輯 黃宇