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基于STM32 环境智能监测、报警系统（硬件+上位机、下位机源码+设计报告等）

来源：中电网

2021-12-02

类别：安防监控

拍明

原标题：基于STM32 环境智能监测、报警系统（硬件+上位机、下位机源码+设计报告等）

一、系统概述
本系统为基于STM32微控制器的智能监测报警系统，主要应用于环境安全、工业监控及家庭安防等场景。系统通过集成温湿度、烟雾、有毒气体、光照等多种传感器，实现对环境数据的实时采集和处理。系统分为上位机和下位机两部分，下位机采用STM32作为主控芯片，通过传感器采集数据并执行预设的报警策略，上位机负责对数据的显示、存储和远程监控。系统具有实时性高、稳定性好、扩展性强、报警灵敏等特点。

本设计报告包括以下主要内容：

系统整体结构设计；
关键硬件电路设计方案；
各主要元器件型号的详细选型说明；
电路框图及其说明；
上位机与下位机的源码设计与解析；
系统调试、测试方案及总结。

二、系统整体结构设计
本系统采用分布式监控架构，主要由以下几部分组成：

传感器模块：负责对环境参数进行采集。包括温度、湿度、烟雾、有毒气体、光照、震动等传感器，能够全面反映现场环境状况；
STM32下位机：采用高性能低功耗的STM32微控制器作为核心处理单元，实时采集传感器数据，对数据进行处理和预判，并控制报警输出；
报警模块：包括蜂鸣器、LED指示灯及继电器驱动的外部报警装置，在出现异常情况时及时发出声光报警；
通讯模块：主要采用RS232/RS485、CAN、WIFI或GSM模块，保证数据能实时传输至上位机；
上位机软件：在PC端运行，提供友好的用户界面，实现数据监控、报警记录、统计分析及远程控制等功能；
电源模块：为系统各部分提供稳定、隔离的电源，保证系统长期稳定运行。

系统整体结构图如下（框图为示意）：

该框图直观地展示了各模块之间的数据流和控制关系。下文将详细说明各模块的设计细节与关键元器件选型。

三、关键硬件电路设计

STM32下位机设计
下位机的核心是STM32微控制器，本设计中选用的是STM32F103C8T6型号，其主要特点如下：

处理器核心：ARM Cortex-M3，具有较高的处理速度和较低的功耗；
工作频率：72MHz，满足多任务数据处理和实时响应的要求；
丰富的外设接口：具备USART、SPI、I2C、ADC、定时器等接口，方便与各类传感器及通信模块连接；
开发成本低、社区资源丰富：广泛应用于嵌入式系统设计中，资料齐全，便于开发和调试。

传感器模块设计
针对环境监测需求，本系统选用了以下主要传感器：

型号选择：SW-420用于简单的振动检测。
作用：监测环境是否存在异常振动或外力干扰。
选用理由：结构简单、成本低、灵敏度适中，能够满足初级报警需求。

型号选择：BH1750为数字光强传感器，具有较高的测量精度。
作用：检测环境光照强度，辅助判断环境状态。
选用理由：易于使用、I2C接口通信稳定、体积小。

型号选择：MQ-135可检测空气中多种有害气体（氨气、硫化物等）。
作用：监控室内外空气质量，对环境污染进行报警。
选用理由：检测范围广、响应时间短，适用于环境监测系统。

型号选择：MQ-2广泛用于检测烟雾、可燃气体及酒精气体。
作用：检测空气中的烟雾浓度，及时预警火灾风险。
选用理由：成本低、灵敏度高、响应快，适合早期火灾预警。

型号选择：SHT30在精度和响应速度上表现较好，且体积小、功耗低。
作用：实时检测环境温度和湿度变化。
选用理由：数据精度高、抗干扰能力强、数字输出接口便于与STM32连接。

温湿度传感器（如SHT30或DHT22）
烟雾传感器（如MQ-2）
有毒气体传感器（如MQ-135）
光照传感器（如BH1750）
震动传感器（如SW-420）

报警模块设计
系统采用多种报警方式进行提示：

型号选择：常用继电器模块如Songle SRD-05VDC-SL-C。
作用：在高功率设备（如报警器、警示灯）控制中起到隔离和驱动作用。
选用理由：接口匹配、驱动能力强、价格适中、使用安全性高。

型号选择：高亮LED灯（如T-1 5mm红色LED）。
作用：通过光信号直观展示系统运行状态及报警状态。
选用理由：响应迅速、颜色鲜明、寿命长。

型号选择：常用的有源蜂鸣器（如KY-012），无需外加振荡电路。
作用：在异常状态下发出声音报警。
选用理由：结构简单、接口兼容性好、体积小、功耗低。

蜂鸣器
LED指示灯
继电器驱动模块

通讯模块设计
为实现与上位机之间的数据传输，本系统可根据实际需要选用以下模块：

型号选择：SIM900模块常用于远程报警短信通知。
作用：通过移动网络实现报警信息远程传输。
选用理由：覆盖范围广、成熟稳定、应用广泛。

型号选择：ESP8266或ESP32均为较好的选择。
作用：实现无线数据传输，便于远程监控。
选用理由：体积小、成本低、支持多种工作模式。

型号选择：采用MAX232芯片实现TTL电平与RS232电平的转换；RS485通信可采用SN75176。
作用：稳定、远距离数据传输；适用于工业环境。
选用理由：成熟可靠、抗干扰能力强、接口标准。

RS232/RS485通信模块
WIFI模块
GSM模块

电源模块设计
系统电源模块设计要求：

稳压电源模块：选用LM7805等稳压芯片，为STM32及外围器件提供5V电源；
隔离电源设计：部分模块如继电器、通讯模块采用隔离设计，保证系统安全稳定运行；
备用电源：在断电情况下，系统具备电池供电功能，确保报警信息不中断传输。

四、元器件选型详细说明

STM32F103C8T6

功能：作为主控芯片，负责整体数据采集、处理及通讯控制。
选用理由：采用ARM Cortex-M3内核，具有较高的运算速度（72MHz），丰富的I/O接口和外设，适用于多任务处理；开发环境成熟，具有完善的库函数和社区支持。
作用：协调各模块工作，确保实时采集与报警功能。

SHT30温湿度传感器

功能：检测环境温度和湿度数据，数字输出，便于直接读取。
选用理由：测量精度高、响应时间短、I2C接口便于与STM32连接；具有防尘、防水功能，适用于恶劣环境监测。
作用：实时监控环境温湿度变化，为判断火灾等异常情况提供数据支撑。

MQ-2烟雾传感器

功能：检测烟雾、可燃气体及酒精浓度。
选用理由：结构成熟、成本低、灵敏度高，适用于火灾预警及有害气体监测。
作用：当烟雾浓度超过预设阈值时，触发报警电路。

MQ-135有毒气体传感器

功能：检测空气中多种有害气体（如氨气、硫化氢等），评估空气质量。
选用理由：检测范围广、响应速度快、适用于室内外空气质量检测；具有较高的抗干扰能力。
作用：提供环境污染监测数据，及时预警室内外空气质量恶化。

BH1750数字光照传感器

功能：通过I2C接口输出当前环境光照强度。
选用理由：体积小、精度高、功耗低；适合用于实时光照监测。
作用：检测环境光照变化，辅助判断异常状态。

SW-420震动传感器

功能：检测环境中的振动情况，产生开关量输出。
选用理由：结构简单、成本低、响应迅速；适用于入侵检测和设备异常监控。
作用：当检测到异常震动时，向STM32发送信号以启动报警。

蜂鸣器（KY-012有源蜂鸣器）

功能：在报警时发出高分贝声音，提示用户及时处理异常情况。
选用理由：无需额外驱动电路，接口直接；体积小、易于集成。
作用：作为声光报警的重要部分，与LED指示灯及继电器联动工作。

继电器模块（Songle SRD-05VDC-SL-C）

功能：实现高电压、大功率设备的隔离控制。
选用理由：驱动能力强、响应速度快、安全性高；适合控制外部报警设备或执行紧急断电操作。
作用：在系统检测到异常情况后，通过继电器控制外部设备（如大功率报警灯、警示音响）启动。

通讯模块芯片

选用理由：具备良好的抗干扰性能，确保在复杂环境下数据传输的可靠性。

选用理由：电路简单、信号稳定、成熟度高；适用于数据长距离传输。

MAX232芯片：用于TTL与RS232电平转换，实现与PC上位机的稳定串口通信。
SN75176芯片：用于RS485总线通信，适合工业现场的抗干扰要求。

ESP8266 WIFI模块 / SIM900 GSM模块

功能：实现无线网络和移动网络数据传输。
选用理由：ESP8266体积小、成本低、易于集成；SIM900则在无网络覆盖区域提供短信报警功能；两者均具备良好的通信稳定性。
作用：根据应用场景实现远程监控与报警信息传输，提升系统的灵活性和可扩展性。

电源管理芯片（LM7805等稳压模块）

功能：为系统各部分提供稳定的直流电源。
选用理由：价格低廉、调压精准、负载能力适中；确保整个系统在电压波动情况下依然稳定运行。
作用：为STM32、传感器、通讯模块等提供稳定的5V电源，确保数据采集与处理的准确性。

五、电路框图设计

根据上述各模块选型，系统电路框图设计方案如下：

核心控制部分

STM32F103C8T6作为中央处理单元，其各GPIO口分别连接各传感器数据输出及控制信号输入；
内部ADC接口采集模拟传感器信号，I2C接口连接数字传感器（如BH1750、SHT30）；
定时器和串口用于数据处理、任务调度和通信模块的数据交换。

传感器数据采集电路

温湿度传感器SHT30采用I2C总线，接入STM32的SCL和SDA引脚，并通过上拉电阻确保通信稳定；
烟雾传感器MQ-2与MQ-135采用电阻分压电路接入STM32 ADC口，确保传感器输出电压在ADC采集范围内；
光照传感器BH1750同样采用I2C接口；
震动传感器SW-420的数字输出接入STM32的数字IO口，检测状态变化后通过中断响应。

报警控制电路

蜂鸣器直接由STM32的数字输出控制，通过一个简单的驱动电路（经由三极管放大），实现响铃报警；
LED指示灯通过限流电阻连接到STM32相应输出口，在报警或正常状态下改变闪烁模式；
继电器模块由单独的驱动电路控制，STM32输出信号经隔离模块（光耦或晶体管驱动）驱动继电器，继电器输出接入外部高功率报警设备。

通讯电路

RS232通讯电路采用MAX232芯片，将STM32 TTL信号转换为RS232标准信号，连接到上位机串口；
如需使用RS485，则在STM32与SN75176之间采用差分信号传输，确保长距离数据传输的稳定性；
WIFI模块或GSM模块通过串口或SPI接口与STM32连接，实现无线数据传输。

电源电路

主电源采用直流电源适配器输入，经过LM7805稳压模块输出稳定的5V电压；
各模块分别采用滤波电容、电感进行电源去耦设计，保证系统在干扰情况下依然稳定工作；
电源电路中还设计了过流、过压保护电路，确保突发异常情况下系统不会损坏。

下图为简化的电路框图示意：

六、上位机设计

上位机软件主要负责对下位机上传的数据进行实时显示、存储、统计分析及报警记录。主要模块包括：

数据采集模块

通过串口或网络接口接收来自STM32的数据包，进行初步解析与校验；
根据数据类型（温湿度、烟雾浓度、气体浓度、光照强度等）进行分类处理。

数据显示与记录模块

采用图形化界面显示实时监测数据，支持数据折线图、柱状图等多种显示方式；
数据可存入数据库或本地文件，方便日后查询与统计分析。

报警信息处理模块

当接收到异常报警数据时，上位机将即时弹出报警窗口，并通过声音、短信、邮件等多种方式进行提醒；
系统同时记录报警发生的时间、报警类型及相关参数，为后续故障分析提供依据。

远程监控与控制模块

支持远程登录，上位机可对系统进行参数设置、报警策略调整及数据查询；
实现历史数据查询及统计报表生成功能。

上位机程序可使用Visual Studio编写，语言选用C#或VB.NET，基于.Net Framework平台开发。其关键源码模块包括：

// 示例：C# 伪代码，串口数据读取部分
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();
        // 数据解析与处理
        ProcessData(data);
    }
    private void ProcessData(string data) {
        // 根据预设协议解析温度、湿度、烟雾浓度等数据，并更新界面显示
    }
}

此外，上位机界面采用WinForm实现，具备实时数据显示、报警记录查询、参数设置等功能。各模块之间通过事件驱动机制实现数据交互，确保系统反应迅速、稳定性好。

七、下位机源码设计与解析

下位机源码主要基于STM32标准外设库或HAL库开发，分为初始化、传感器数据采集、数据处理、报警判断、通讯发送等多个任务。下面给出部分关键代码示例及详细解析：

系统初始化代码
包括系统时钟、GPIO、ADC、I2C、USART等外设初始化。

// 示例：STM32 HAL库初始化代码
#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) {
        // 错误处理
    }
    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) {
        // 错误处理
    }
}

上述代码中，系统时钟配置确保了STM32以72MHz的频率稳定运行，为各任务调度提供时基支持。其他外设的初始化（GPIO、ADC、I2C、UART）代码类似，此处略去冗余部分。

传感器数据采集与处理
通过轮询或中断方式采集各传感器数据，对采集到的温度、湿度、烟雾、气体、光照及震动等信号进行滤波、校准，并依据预设阈值判断是否触发报警。

// 示例：采集温湿度数据（伪代码）
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);
    // 数据解析：转换成实际温度、湿度值
}

报警判断与信号输出
根据采集数据与预设阈值进行比较，当某项数据超出设定范围时，调用报警输出函数，驱动蜂鸣器、LED及继电器模块。

void Check_Alarm(void) {
    if (temperature > TEMP_THRESHOLD || smoke > SMOKE_THRESHOLD || gas > GAS_THRESHOLD) {
        // 激活蜂鸣器与LED
        HAL_GPIO_WritePin(BEEP_GPIO_Port, BEEP_Pin, GPIO_PIN_SET);
        HAL_GPIO_WritePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin, GPIO_PIN_SET);
        // 控制继电器输出报警信号
        HAL_GPIO_WritePin(RELAY_GPIO_Port, RELAY_Pin, GPIO_PIN_SET);
        // 发送报警信息到上位机
        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);
    }
}

数据通讯发送
采用UART或其他通信协议，将数据打包成预定义格式发送至上位机。

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);
}

下位机整个源码中，各任务采用循环调度方式进行数据采集、处理与通讯，确保系统在实时性与稳定性方面达到预期效果。

八、系统调试与测试

单元模块测试
在正式集成前，对各传感器模块、报警输出模块、通讯模块及电源模块进行单独测试。采用示波器、万用表及逻辑分析仪检测各模块信号，确保每个部分均正常工作；
集成调试
将所有模块接入STM32进行整体调试，通过上位机软件实时显示数据，并模拟异常情况，检测系统报警响应时间和稳定性；
现场测试
在实际环境中对系统进行长期监控，检查数据采集的准确性、通讯稳定性以及报警功能的可靠性，记录各项测试数据，并根据反馈进行参数调整与优化；
软件仿真测试
使用仿真软件对上位机与下位机之间的通讯协议、数据格式进行模拟测试，确保软件在各种异常情况下均能稳定运行；
环境适应性测试
对系统在高温、高湿、强电磁干扰环境下的性能进行测试，验证各元器件选型与电路设计是否满足要求。

九、系统总结与展望

本设计通过对STM32F103C8T6及各类传感器、通讯模块、报警装置的精心选型和电路设计，构建了一套功能完善、性能稳定、响应迅速的智能监测报警系统。系统具有如下优点：

实时性与稳定性
采用高性能STM32主控芯片，结合精密传感器，实现了实时数据采集与处理，确保在环境异常时第一时间响应报警。
多种通讯方式
系统支持RS232/RS485、WIFI及GSM等多种通讯方式，满足不同应用场景下的数据传输需求，增强了系统的扩展性与兼容性。
灵活报警机制
通过蜂鸣器、LED指示灯与继电器等多种报警方式，在第一时间内将异常情况反馈给用户，提升了安全性。
软件与硬件协同优化
上位机与下位机协同工作，实时显示数据并存储报警记录，便于后续数据统计与故障分析；同时，模块化设计使得系统具有良好的扩展性，后期可增加更多传感器与功能模块。
良好的环境适应性
系统在电源设计、抗干扰设计方面经过充分考虑，适用于各种复杂环境下的长期运行。

展望未来，随着物联网、大数据及人工智能技术的不断发展，本系统在功能上将进一步拓展：

数据智能分析：结合云计算与大数据，对采集到的海量环境数据进行智能分析，实现预警策略的动态调整；
远程控制与管理：进一步完善上位机软件，实现基于移动APP或WEB平台的远程监控及控制；
模块化扩展：根据用户需求，增加更多功能模块，如视频监控、定位追踪等，构建更加全面的智能安防系统；
低功耗设计：通过优化硬件电路及软件算法，实现更低功耗的设计，满足长时间独立运行需求。

总之，本设计报告详细介绍了基于STM32的智能监测报警系统的设计思路、关键元器件选型、电路框图、上位机与下位机的源码实现以及调试测试过程。通过对每个模块及元器件的全面分析和实际测试，系统在可靠性、实时性、稳定性及扩展性方面均表现优异，为后续在环境监测、工业安全及家庭安防等领域的实际应用提供了坚实的技术保障。

十、附录：完整源码及电路原理图说明

下位机完整源码
下列代码为部分核心功能代码汇总，完整源码包含系统初始化、传感器数据采集、数据处理、报警判断及通讯发送等模块。

/* main.c 伪代码示例 */
#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();      // 温湿度采集
        Read_MQ_Sensors(); // 烟雾与气体采集
        Read_BH1750();     // 光照采集
        Check_Alarm();     // 报警判断
        HAL_Delay(200);    // 循环延时
    }
}

上位机完整源码
上位机源码包括数据采集、数据解析、实时显示及报警处理模块，以下为数据接收部分示例代码：

// C# 上位机数据接收伪代码
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) {
        // 数据解析逻辑，更新界面显示
        textBoxData.AppendText(data + Environment.NewLine);
    }
}