基于 STM32 的智能家居环境监测与控制系统
项目背景
随着物联网技术的普及，智能家居已成为改善居住体验的重要方向。然而，当前市场主流产品普遍存在功能割裂、智能化程度不足、安全隐患突出等问题。传统单一功能设备无法形成环境安全联动，导致安全响应滞后、能源浪费严重。
本研究设计并实现了一种基于 STM32F103C8T6 单片机的智能家居环境监测与控制系统。系统通过集成多参数环境传感器，构建了完整的家居环境感知 - 决策 - 执行闭环，实现了对室内温湿度、烟雾浓度、一氧化碳、空气质量、光照强度及大气压强的精准监测。测试表明，系统在典型家居环境中温湿度误差<±2%，气体浓度误差<±5%，关键安全事件响应时间<3 秒，WIFI 连接成功率>98%，功耗控制在待机<1W 的水平。
系统总体设计
需求分析
环境监测：支持温湿度（0-60℃/0-100%RH）、烟雾（0-10000ppm）、CO（0-1000ppm）、空气质量（AQI 0-300）、光照（0-10000lux）、大气压（300-1100hPa），采样频率 1-5 秒/参数。
显示功能：0.96 寸 OLED（128×64 像素）分页显示，30 秒无操作自动降低亮度，2 分钟无操作关闭显示。
控制功能：
- LED 照明：10 级 PWM 调光（0-100%），双色温（3000K/5000K）
- 步进电机：28BYJ-48 驱动，开窗角度 0-90°，精度±2°
运行模式：
- 手动模式：APP 远程控制 LED 开关/调光、窗户开闭，支持历史数据查看与异常推送。
- 自动模式：
- 气体超标：烟雾>2000ppm 或 CO>50ppm → 蜂鸣报警 + 开窗通风
- 光线不足：光照<100lux → 自动开启 LED（50% 亮度）
- 联动策略：夜间气体超标时开窗 + 低亮度 LED 指引逃生
阈值调节：本地按键步进调整（烟雾±100ppm，光照±10lux），APP 滑动条连续调节，断电保存。
硬件架构
系统采用四层硬件架构：
- 感知层：DHT11（温湿度）、MQ-2/MQ-7/MQ-135（气体）、光敏电阻（光照）、BMP180（气压）传感器，经信号调理电路接入 MCU。
- 控制层：LED 驱动（MOSFET+ 恒流电路）、步进电机驱动（ULN2003）、蜂鸣器（5V 有源），配合 OLED 与 4 键矩阵键盘实现人机交互。
- 通信层：ESP8266-01S WIFI 模块（802.11 b/g/n），通过 UART 连接 STM32，采用 MQTT over TLS 1.2 协议。
- 核心处理层：STM32F103C8T6（72MHz Cortex-M3），配合 AT24C32 EEPROM（存储参数）和 W25Q16 Flash（存储固件）。
硬件设计亮点：PCB 四层板分区布局（模拟区/数字区/功率区/通信区），关键信号线阻抗匹配；外壳采用阻燃 ABS 材料，IP30 防护等级；BOM 成本 326 元（较商用产品低 35-60%）。
软件架构
软件采用五层分层架构：
- 硬件抽象层：封装寄存器配置与中断管理
- 驱动层：传感器/执行器/通信驱动（如 DHT11_Read()）
- 中间件层：数据滤波（中值 + 滑动平均 + 卡尔曼）、任务调度
- 服务层：环境监测/自动控制/通信管理
- 应用层：模式切换/UI 管理/用户交互
关键设计：事件驱动 + 轮询混合调度，优先级 0 任务（安全事件）中断响应<100ms；分层架构确保模块解耦，便于后期扩展。
