基于STM32的周边环境监测系统设计

邹炜燕 孙齐 纪晓峰 林焱杰

摘要：随着科技不断的进步和社会快速的发展，人们越来越关注自己的身体健康状况，普通家庭也开始对睡眠环境监测产品感兴趣。本文设计基于STM32的睡眠环境监测系统，对睡眠环境的温湿度、空气质量、光强度进行实时监测，主要包括硬件设计、软件设计等。

1.前言

环境在线监测市场上常见多为室内环境监测设备。大致分为两大类，第一类是独立工作，功能单一的检测设备，如温度计、烟雾报警器等，检测范围较小，使用较为局限，一般只用在对某一种环境参数比较敏感的场合，如小型仓库等第二类为可以组网工作的环境监测设备，这类设备一般通过布线将检测设备检测到的数据汇集到主机设备中，相较于第一类设备，第二类设备可以连接多个传感器，检测范围更大，但是这类设备一般检测的环境参数也较少，同时安装时需要大范围布线，增加了产材料品成本和安装成本，提高了安装难度，并且，大量布线影响美观，局限性较大。目前，对于专用于睡眠且与床垫集成的环境监测设备未有报道。

2.系统硬件设计

环境监测部分主要实现睡眠环境的实时监测功能。主要由 STM32 核心处理模块、温湿度检测模块、空气质量检测模块、光强度检测模块等组成。整体组成框图见图 1所示。

A.STM32 核心处理模块

STM32 核心处理模块是室内环境检测装置的控制核心，用于对外围输入电路进行识别以及对输出电路进行控制，实现对环境数据传送的数据进行综合分析处理。该模块以 STM32F103RCT6 单片机为核心，如图 13 所示为该部分的硬件设计的电路原理图。该单片机系统包括 STM32F103RCT6 单片机、复位电路、时钟电路 1、时钟电路 2 以及供电电路。单片机共有 51 个 GPIO 引脚，全部通过排针引出，方便各个外接传感器模块的连接。

B.温湿度检测模块

温湿度检测模块的核心传感器是 DHT11。该传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC 测温元件，并与一个高性能8 位单片机相连接，采用专用的数字模块采集技术和温、湿度传感技术，以确保产品的可靠性和稳定性。设计采用STM32 的PA6 与BH170 的pin4 连接用于传输命令与数据，STM32 的PA7 和BH170 的pin6 引脚连接用于时钟同步。因为 DHT11 与 STM32 核心处理模块是单总线的传输方式，所以其端口 DOUT 是数据的传输总线，将 STM32 核心处理模块的 GPIO 口与此端口通过杜邦线连接，即可实现数据的传输。温湿度检测模块电路原理图如图2所示。

C.空气质量检测模块

该模块采用MP-135 作为空气质量传感器。当该传感器所处环境中存在污染气体时，气敏电阻的阻值随空气中污染气体浓度的升高而减小。设计将MP-135 的输出信号通过两个10 kΩ 的电阻分压后与STM32 的PA4 口连接，以将气体浓度变化产生的模拟量输入STM32 中。设计采用STM32 的PB10与DHT11 的pin2 引脚连接用于数据的通信与同步。

D.光强度检测模块

光强度检测模块主要是由光敏二极管及其辅助电路组成，根据此二极管的光电特性来实现对睡眠环境中光强度的实时检测。模拟的输出端口A0输出的电压值与环境中的光照强度相对应，数字的输出端口D0输出“1”表示环境黑暗，输出“0”则表示环境明亮。该模块的四根线 VDD、GND、A0、D0 分别与 STM32 核心处理模块对应的 GPIO 引脚用杜邦线连接起来。

3. 系统软件设计

睡眠环境信息主要是由 STM32 核心处理模块对各环境参数采集模块的环境数据进行分析处理，实现对睡眠环境中温湿度、光线强度、声音及空气的实时采集并传输到手机上。各环境参数模块采集到的环境信息多为模拟量，需要通过单片机内部ADC1 的多个通道将这些模拟量转化为單片机可以处理的数字量。具体软件程序流程如下图所示。

3.结束语

基于STM32的睡眠环境在监测的过程中逐渐累积了大量的、有利用价值的睡眠信号历史数据，并将睡眠状态监测信号进行集中存储与管理，多生理信息，对用户的睡眠环境质量进行评价，并基于此改变睡眠环境至理想状态。

参考文献：

[1] 谢静， 蒋秀林， 朱文婕. 基于物联网的家居睡眠环境监测系统设计与实现[J]. 宿州学院学报， 2018， 33（9）： 111-114.

[2] 金巍， 池敏越， 陈业艺. 睡眠监测系统以及与之联动的环境家电用于提升睡眠质量的应用展望[J]. 世界睡眠医学杂志， 2017 （4）： 218-223.

作者：邹炜燕 衢州学院2019级自动化本科学生;资助项目：国家大学生科技项目“基于STM32的智能避障小车设计与实现”资助