基于stm32单片机家庭环境监测系统

Coding茶水间2025-08-25 16:46

1.演示视频

基于stm32单片机家庭环境监测系统视频演示_哔哩哔哩_bilibili

2. 项目介绍

本项目基于STM32F103C8T6最小系统板，打造了一个功能强大、显示直观的家庭环境监测系统。系统集成了温湿度、光照强度、多种气体、人体感应等传感器，并通过OLED屏幕本地实时显示数据，同时支持手机蓝牙小程序远程监控与告警。它不仅是一个全面的环境数据采集站，更是一个具备布防/撤防功能的简易家庭安防系统。

3. 系统功能亮点

  • 环境多参数监测：实时采集温度、湿度、光照强度、空气质量（CO/CO2/烟雾等综合指标）。
  • 人体红外感应：检测指定区域内是否有人体活动。
  • 双模远程通信：支持ESP32 Wi-Fi模块（预留扩展接口）和HC-05/06蓝牙模块与手机连接。
  • 手机小程序监控：通过自开发的微信小程序，可远程查看所有传感器数据，并进行系统控制。
  • 智能安防布防：具备"布防"和"撤防"两种模式。在布防模式下，检测到人体入侵将触发本地蜂鸣器高声警报并推送手机提醒。
  • 交互与提示：配备四个功能按键和一个蜂鸣器，方便本地操作和声音提示。

4.硬件设计

4.1 硬件组成 (BOM List)

模块名称 型号/规格 通信协议 功能
​主控芯片​ STM32F103C8T6 (最小系统板) - 系统核心，负责数据处理与逻辑控制
​显示模块​ 0.96英寸 OLED屏 I2C 本地实时显示所有传感器数据及系统状态
​温湿度传感器​ AHT20 I2C 高精度测量环境温度和湿度
​光照传感器​ GY-30 (BH1750) I2C 检测环境光照强度 (Lux)
​气体传感器​ MQ-135 模拟/数字 综合检测空气质量、CO2、CO、烟雾、苯等有害气体
​人体红外传感器​ HC-SR501 数字GPIO 检测人体移动
​蓝牙模块​ HC-05 或 HC-06 UART 与手机小程序进行串口蓝牙通信
​Wi-Fi模块​ ESP-01S (ESP8266) 或 ESP32 UART 预留物联网扩展接口，可接入云平台
​声学提示​ 有源蜂鸣器 GPIO 发出警报和提示音
​输入控制​ 4x轻触按键 GPIO 本地切换模式、设置参数等
​供电接口​ Type-C - 5V供电，并配有电源开关

4.2主要芯片介绍

​STM32F103C8T6介绍

STM32F103C8T6是一款由意法半导体公司（ST）推出的基于Cortex-M3内核的32位微控制器，硬件采用LQFP48封装，属于ST公司微控制器中的STM32系列。

AHT20温湿度传感器介绍

AHT20是一款高精度数字温湿度传感器，采用I2C通信（地址0x38），供电需3.3V。其温度精度±0.3℃，湿度精度±2%RH，出厂已校准，即插即用。相比DHT11，精度更高、通信更稳定，是环境监测项目的理想选择。

BH1750光照强度传感器介绍

BH1750FVI ​ 是一款数字式环境光强度传感器。它通过 ​I2C ​ 接口直接输出光照度值（单位：Lux），测量范围 ​1 - 65535 lx。具有高精度、无需外部元件等优点，是替代光敏电阻的理想选择，广泛应用于自动背光调节和智能照明系统。

ECB01H2S蓝牙模块介绍

ECB01H2S ​ 是一款基于蓝牙5.0的串口透传模块 。它将复杂的蓝牙协议封装成简单的串口通信，用户只需通过AT指令进行配置，即可让主控设备（如STM32）通过串口与手机等蓝牙主机实现无线数据双向传输，极大简化了无线通信功能的开发流程，广泛应用于智能硬件和数据传输项目。

I2C OLED显示屏介绍

该屏幕拥有128x64 高分辨率，采用I2C接口，仅需两根信号线即可驱动。其像素点自发光，显示黑色时功耗极低，无需背光，视觉效果清晰锐利，对比度高，是嵌入式项目中最受欢迎的小型显示方案。

ESP8266WiFi模块介绍

ESP8266 ​ 是一款低成本、高性能的Wi-Fi SOC芯片模块。其核心功能是通过串口AT指令与单片机通信，轻松实现设备联网。它内置了TCP/IP协议栈，可作为独立MCU或Wi-Fi适配器使用，是物联网项目中实现无线连接最经典、性价比最高的解决方案之一。

5.系统设计与实现

5.1整体系统设计

5.2 数据流与工作逻辑

  1. 数据采集层：STM32主控循环读取各个传感器的数据。
  2. 数据处理层：对原始数据进行滤波、校准和计算，得到有意义的物理量（如℃、%RH、Lux、空气质量等级）。
  3. 本地显示层：处理后的数据通过I2C协议发送到OLED屏幕进行刷新显示。
  4. 远程通信层：STM32通过串口将数据按照自定义协议格式发送给蓝牙模块，再由蓝牙传输至手机小程序。手机下发的控制指令（如布防）也通过此路径逆向传输给STM32。

​逻辑控制层 ​：主控根据当前系统模式（布防/撤防）和传感器状态（是否检测到人）执行相应的动作，如控制蜂鸣器。

  • 本地显示效果：

屏幕第一页显示：温度: 26.5℃， 湿度: 45%， 光照: 256 Lux。

屏幕循环显示气体数据：Air Q: Good， Gas: None， PM2.5: 15， Smoke: Low。

人体检测状态：P: Yes (有人) 或 P: No (无人)。

安防状态：Security On (布防) 或 Security Off (撤防)。

  • 手机监控：

手机小程序成功连接蓝牙后，界面同步显示所有环境数据。

设有"布防/撤防"切换按钮。

在布防状态下，若检测到人体，手机端会弹出弹窗警报，并显示"警戒中！"。

  • 安防联动：

​　　　　撤防模式 ​：检测到人体，仅在屏幕和手机端显示"有人"，无声音警报。​​（适合家中有人时）​​

​　　　　布防模式 ​：检测到人体，​蜂鸣器立即鸣叫 ，同时手机端弹出警报。​​（适合出门或夜间）​​​

6.代码展示

复制代码 
/* USER CODE BEGIN Header */
/**
  ******************************************************************************
  * @file           : main.c
  * @brief          : Main program body - 简化版
  ******************************************************************************
  */
/* USER CODE END Header */
/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "main.h"
#include "oled.h"
#include "temp_humi.h"
#include "gas_sensor.h"
#include "light_sensor.h"
#include "bluetooth.h"
#include "gas_display.h"
#include "buzzer.h"
#include <stdio.h>
#include <string.h>

/* Private variables ---------------------------------------------------------*/
I2C_HandleTypeDef hi2c1;
ADC_HandleTypeDef hadc1;
UART_HandleTypeDef huart1;

/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);
void MX_GPIO_Init(void);
void MX_I2C1_Init(void);
void MX_ADC1_Init(void);
void MX_USART1_UART_Init(void);

/**
  * @brief  IR传感器初始化 - 简化版
  * @param  None
  * @retval None
  */
void IR_Sensor_Init(void)
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
  
  __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
  
  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_9;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
  HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
}

/**
  * @brief  检测人体存在 - 简化版
  * @param  None
  * @retval 1: 检测到人体, 0: 未检测到人体
  */
uint8_t IR_Sensor_Detect(void)
{
  return (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_9) == GPIO_PIN_RESET) ? 1 : 0;
}

/**
  * @brief  应用程序入口点
  * @retval int
  */
int main(void)
{
  /* 初始化HAL库 */
  HAL_Init();
  
  /* 配置系统时钟 */
  SystemClock_Config();
  
  /* 初始化所有外设 */
  MX_GPIO_Init();
  MX_I2C1_Init();
  MX_ADC1_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  
  /* 初始化所有传感器和外设 */
  OLED_Init();
  TEMP_HUMI_Init();
  GAS_SENSOR_Init();
  LIGHT_SENSOR_Init();
  IR_Sensor_Init();
  Bluetooth_Init();
  BUZZER_Init();
  
  /* 显示初始屏幕 */
  OLED_Clear();
  OLED_ShowString(0, 0, "Starting...", 12);
  OLED_Refresh();
  
  /* 初始化变量 */
  float temperature = 0.0f;
  float humidity = 0.0f;
  float light = 0.0f;
  uint8_t ir_status = 0;
  uint8_t last_ir_status = 0;
  uint8_t bt_send_counter = 0;
  
  /* 创建气体数据结构 */
  GAS_DATA gas_data = {0};
  
  /* 气体传感器初始校准 */
  GAS_SENSOR_Calibrate(400.0f);
  
  /* 手动设置一些初始值，确保数据不为空 */
  gas_data.raw_ppm = 500.0f;
  gas_data.co2_equivalent = 400.0f;
  gas_data.combustible_gas = 150.0f;
  gas_data.smoke_density = 75.0f;
  gas_data.pm25 = 50.0f;
  gas_data.aqi = 100;
  gas_data.change_rate = 0.5f;
  gas_data.gas_type = GAS_TYPE_NORMAL;
  gas_data.safety_level = SAFETY_LEVEL_SAFE;
  gas_data.leak_detected = 0;
  gas_data.fire_risk = 2;
  
  /* 无限循环 */
  while (1)
  {
    /* 检查布防/撤防状态是否改变 */
    if (Bluetooth_GetAndClearStatusChanged()) {
      uint8_t armed_status = Bluetooth_GetArmedStatus();
      DISPLAY_ArmedStatus(armed_status, 3000);
      
      if (armed_status) {
        BUZZER_LoudAlarm();
      } else {
        BUZZER_Beep(100);
      }
    }
    
    /* 读取传感器数据 */
    TEMP_HUMI_ReadData(&temperature, &humidity);
    if (LIGHT_SENSOR_IsConnected()) {
      LIGHT_SENSOR_ReadLight(&light);
    }
    ir_status = IR_Sensor_Detect();
    
    /* 更新气体传感器数据 - 确保每次循环都更新 */
    uint16_t adc_value = GAS_SENSOR_Read();
    if (adc_value > 0) {
      GAS_SENSOR_UpdateData(&gas_data);
    }
    
    /* 人体检测处理 */
    if (ir_status && !last_ir_status) {
      /* 更新显示 */
      DISPLAY_UpdateEnvData(temperature, humidity, light, ir_status);
      DISPLAY_GasData(&gas_data);
      
      /* 发送数据到蓝牙 - 恢复原来的两次发送格式 */
      /* 第一次发送基本环境数据 */
      char bt_data1[150];
      sprintf(bt_data1, "{\"temp\":%.1f,\"humi\":%.1f,\"light\":%.1f,\"human\":%d,\"aqi\":%d,\"pm25\":%.1f}\r\n",
              temperature, humidity, light, ir_status, gas_data.aqi, gas_data.pm25);
      Bluetooth_SendString(bt_data1);
      
      /* 短暂延时，确保第一条数据发送完成 */
      HAL_Delay(20);
      
      /* 第二次发送气体详细数据 */
      char bt_data2[150];
      sprintf(bt_data2, "{\"co2\":%.1f,\"ppm\":%.1f,\"gas_type\":%d,\"safety\":%d,\"leak\":%d,\"fire\":%d,\"rate\":%.2f}\r\n",
              gas_data.co2_equivalent, gas_data.raw_ppm, gas_data.gas_type, 
              gas_data.safety_level, gas_data.leak_detected, gas_data.fire_risk, gas_data.change_rate);
      Bluetooth_SendString(bt_data2);
      
      /* 布防状态下发出警报 */
      if (Bluetooth_GetArmedStatus()) {
        BUZZER_EmergencyAlarm();
      }
    }
    last_ir_status = ir_status;
    
    /* 更新显示 */
    DISPLAY_UpdateEnvData(temperature, humidity, light, ir_status);
    DISPLAY_GasData(&gas_data);
    
    /* 处理蓝牙数据 */
    Bluetooth_Process();
    
    /* 每5秒通过蓝牙发送环境数据 */
    if (++bt_send_counter >= 5) {
      bt_send_counter = 0;
      
      /* 恢复原来的两次发送格式 */
      /* 第一次发送基本环境数据 */
      char bt_data1[150];
      sprintf(bt_data1, "{\"temp\":%.1f,\"humi\":%.1f,\"light\":%.1f,\"human\":%d,\"aqi\":%d,\"pm25\":%.1f}\r\n",
              temperature, humidity, light, ir_status, gas_data.aqi, gas_data.pm25);
      Bluetooth_SendString(bt_data1);
      
      /* 短暂延时，确保第一条数据发送完成 */
      HAL_Delay(50);
      
      /* 第二次发送气体详细数据 */
      char bt_data2[150];
      sprintf(bt_data2, "{\"co2\":%.1f,\"ppm\":%.1f,\"gas_type\":%d,\"safety\":%d,\"leak\":%d,\"fire\":%d,\"rate\":%.2f}\r\n",
              gas_data.co2_equivalent, gas_data.raw_ppm, gas_data.gas_type, 
              gas_data.safety_level, gas_data.leak_detected, gas_data.fire_risk, gas_data.change_rate);
      Bluetooth_SendString(bt_data2);
    }
    
    /* 切换LED指示灯状态 */
    HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13);
    
    /* 延时1秒 */
    HAL_Delay(1000);
  }
}

/**
  * @brief 系统时钟配置
  * @retval None
  */
void SystemClock_Config(void)
{
  RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
  RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};
  RCC_PeriphCLKInitTypeDef PeriphClkInit = {0};

  RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
  RCC_OscInitStruct.HSEPredivValue = RCC_HSE_PREDIV_DIV1;
  RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLMUL = RCC_PLL_MUL9;
  HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct);

  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;
  HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2);
  
  /* 配置ADC时钟 */
  PeriphClkInit.PeriphClockSelection = RCC_PERIPHCLK_ADC;
  PeriphClkInit.AdcClockSelection = RCC_ADCPCLK2_DIV6;
  HAL_RCCEx_PeriphCLKConfig(&PeriphClkInit);
}

/**
  * @brief GPIO初始化函数
  * @param None
  * @retval None
  */
void MX_GPIO_Init(void)
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

  /* 使能GPIO时钟 */
  __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();
  __HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE();
  __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
  __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();

  /* 配置PC13引脚为输出 */
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_RESET);
  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_13;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
  HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);
  
  /* 配置PA0引脚为模拟输入（气体传感器） */
  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
}

/**
  * @brief I2C1初始化函数
  * @param None
  * @retval None
  */
void MX_I2C1_Init(void)
{
  hi2c1.Instance = I2C1;
  hi2c1.Init.ClockSpeed = 100000;
  hi2c1.Init.DutyCycle = I2C_DUTYCYCLE_2;
  hi2c1.Init.OwnAddress1 = 0;
  hi2c1.Init.AddressingMode = I2C_ADDRESSINGMODE_7BIT;
  hi2c1.Init.DualAddressMode = I2C_DUALADDRESS_DISABLE;
  hi2c1.Init.OwnAddress2 = 0;
  hi2c1.Init.GeneralCallMode = I2C_GENERALCALL_DISABLE;
  hi2c1.Init.NoStretchMode = I2C_NOSTRETCH_DISABLE;
  
  HAL_I2C_Init(&hi2c1);
}

/**
  * @brief ADC1初始化函数
  * @param None
  * @retval None
  */
void MX_ADC1_Init(void)
{
  ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};

  /* ADC1基本配置 */
  hadc1.Instance = ADC1;
  hadc1.Init.ScanConvMode = ADC_SCAN_DISABLE;
  hadc1.Init.ContinuousConvMode = DISABLE;
  hadc1.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;
  hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START;
  hadc1.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;
  hadc1.Init.NbrOfConversion = 1;
  HAL_ADC_Init(&hadc1);

  /* 配置ADC通道0（PA0引脚）- 气体传感器 */
  sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_0;
  sConfig.Rank = ADC_REGULAR_RANK_1;
  sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_55CYCLES_5;
  HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig);
  
  /* 校准ADC */
  HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc1);
}

/**
  * @brief USART1初始化函数
  * @param None
  * @retval None
  */
void MX_USART1_UART_Init(void)
{
  huart1.Instance = USART1;
  huart1.Init.BaudRate = 9600;
  huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
  huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
  huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
  huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
  huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
  huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
  
  HAL_UART_Init(&huart1);
  
  /* 启用UART接收中断 */
  HAL_NVIC_SetPriority(USART1_IRQn, 0, 0);
  HAL_NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn);
}

/**
  * @brief 错误处理函数
  * @retval None
  */
void Error_Handler(void)
{
  __disable_irq();
  while (1)
  {
  }
}

#ifdef  USE_FULL_ASSERT
void assert_failed(uint8_t *file, uint32_t line)
{
  /* 用户可以添加自己的实现来报告文件名和行号 */
}
#endif /* USE_FULL_ASSERT */

7.​原理图

欢迎在评论区交流讨论！​

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