STM32的智能家居剖析.pdf

中北大学 -仪器与电子学院 基于 STM32 的智能家居监控系统 指导教师：洪应平 专业：电子科学与技术 班级： 13060241 小组成员：赵云璋（ 1306024122） 杨 杰 （1306024136） 章灿然（ 1306024141） 摘要 随着“互联网 +”的概念进入公众视线，以及无线技术的发展和高速宽带网络的普及，利用 互联网来掌控传统一切的做法已为人们广泛接受。现在人们的生活条件大大改善，人们的物 质文化追求也逐渐提高。用户打开一款PC软件或手机APP ，通过互联网接入到家庭的WIFI 网关，向其发送指令即可控制家中的一切，反之亦可查看家中（传感器）状态，以此来掌控 家中的一切情况。 本文推出了一种基于WIFI 的智能家居系统，主要提供安全舒适的居家环境，采用 STM32F103ZET6作为主控芯片，通过WIFI 无线网络技术将家中的监测设备连接到一起，提 供火灾报警、有害气体监控、环境数据监测等。与传统的智能家居系统相比，无需布线，免 去了安装过程中的布线繁多复杂，成本高，以及使用3G 网络作为传输的高额流量费用。有 利于提升家庭生活的安全性、便利性、舒适性等，改变了传统的呆板生活方式，帮助人们有 效的安排时间，另外也为家庭能源开支节约资金。 关键词：智能家居 WIFI STM32 物联网 Abstract With the concept of “Internet +“ into the public eye, and the development of wireless technology and the popularity of high-speed broadband network, use the Internet to control all traditional a pproach has been widely accepted for the people. Now people's living conditions greatly improve d, people's material and cultural pursuit also gradually improve. User opens a PC software or mob ile phone APP, through WIFI Internet access to home gateway, to send commands to control ever ything in the home, and can also view the home state (sensor), in order to control all home situat ion. This paper introduced a kind of smart home system based on WIFI, mainly to provide a safe and c omfortable environment that occupy the home, using STM32F103ZET6as the master control chip, through WIFI network technology will be part of the appliance in the home or monitoring equip ment together, provide the entrance guard system control, fan automatic control, security alarm, environmental data monitoring, etc. Compared with the traditional intelligent household system without wiring, removes the wiring installation process of complex, high cost, and the use of 3 g n etwork as a transport flow of high cost. Help enhance family life safety, convenience, comfort, etc ., has changed the traditional rigid lifestyle, helping people effectively arrange a time, while also s aving money for home energy costs. Keywords: Smart Home, WIFI , STM32, Internet of things 目录 第一章 绪论 1.1 智能家居发展的主要方向 . 1.2 本课题的研究意义和目的 第二章 智能家居控制系统的总体设计 . 2.1 系统总体描述 . 2.2 系统总体设计框图 . 2.3 系统主要功能 . 2.4 系统的设计原则和目标 2.5 系统的设计特点 . 第三章智能家居系统的硬件设计 . 3.1 STM32主控制器模块 3.1.1STM32F103ZET6 芯片. 3.1.2 Open103z 开发板 3.2 STM32外围硬件模块设计 . 3.2.1 无线传输 -WIFI 模块 3.2.2 蜂鸣器 . 3.3 家居系统模块设计 3.3.1 温湿度采集模块 3.3.2 烟雾报警模块 3.3.3 红外报警模块 3.3.4 有害气体报警模块 第一章绪论 家庭居住已经是人们生活的基本条件之一，原本家电设备使用方便， 但是其 运行单一，需要人为的各个进行操作，操作麻烦，缺乏集中管理。随着科技的发 展，人们对家居生活要求的不断提高，它在为人们提供居住的同时，还需要最大 化的满足和方便住户的需求。 高新技术的发展， 带来了智能化的深化和更新。近 年来， 智能化的概念已经逐渐扩展到了家居生活，不仅使得家居生活更加智能化、 自动化，而且还在节约资源和环保方面起到了重要的作用。它将家电设备进行智 能化集中管理。在这种大背景下，智能家居系统开始形成了。 1.1 智能家居发展的主要方向 智能家居包括网络、计算机、传感器、智能控制等多方面技术，同时，又必 须和当前提倡的节能、环保相结合。因此，智能家居系统也是一个网络系统。随 着技术的突飞猛进， 智能家居系统的发展日新月异， 但是总的来说智能家居的发 展方向有以下几点： （1）网络化。随着网络的不断发展，将家居生活与网络紧密联系起来，已 成为一种必然趋势，无论是采用近程的Zigbee 短距离无线方式，还是采用远程 的 GPRS 、以太网等远距离传输控制方式，都将智能家居系统推向了物联网的方 向。 （2）模块化。在设计智能家居系统的时候，采用模块化独立设计，不仅使 得系统简单明了，运行起来互不干扰，同时也方便系统的日后维护、功能扩展 等。 （3）标准化。智能家居以后的发展必须协议统一，遵循统一的标准和规范， 这样可以使得不同厂家的产品相互补充使用，增大系统的使用范围， 丰富系统的 功能。 （4）节能化。智能家居的发展在不影响环境的前提下，尽量做到节能、环 保。 （5）人性化。在满足人们日常生活需求的下，尽量做到让用户更加舒适、 更加方便、更加快捷和高效。 1.2 本课题的研究意义和目的 智能家居行业发展有着巨大的市场潜力和经济效益。在我国，智能家居有一 定程度的发展，但是受很多因素约束，仍然还处于初级阶段，许多标准不统一、 产品价格昂贵。从总体来看，不是很乐观。智能家居控制系统为用户提供了便捷、 高效、节能等一系列方便。 随着科技的发展、人们需求的提高，家居智能化控制已成为一种必然趋势。 因此必须设计一种价格合理的、 符合我国国情的、 具有自主产权的智能家居控制 系统，具有着重要的现实意义。 本课题就是本着这一原则， 设计了一种成本低廉、 实用方便的智能家居控制系统， 可以方便的适合普通家庭住户使用，也有利于智 能家居控制系统的推广。 第 二 章智 能 家 居 控 制 系 统 的 总 体 设 计 2.1 系统总体描述 智能家居控制系统主要是以STM32嵌入式控制芯片，外接各种模块电路， 利用红外探测器、温度传感器、湿度传感器以及烟雾传感器对室内状况的检测， 并将检测到的数据发送到嵌入式控制器进行数据分析，当有异常状况发生时， 嵌 入式控制器立即作出相应的处理并发出报警声 系统中使用到的传感器主要对室内环境温度、湿度、煤气、PM2.5及烟雾浓 度数据进行采集，并把采集到的数据传输到STM32主控芯片中； STM32主控芯 片负责数据处理及分析，然后通过无线WiFi 将数据实时传输到电脑终端进行显 示，当某项数据达到设定的警戒值时中央处理器会发出报警信号通知用户，避免 危险的发生。 WIFI 无线串口收发器实现控制中心（PC ）与 STM32主控芯片的相互通信， 将采集到的数据提供给中心控制器，并且能将接收来自控制器的指令回传给 STM32 主控芯片；控制中心（ PC ）负责将一切来自传感器的数据接收； Stm32 主 控芯片 Wi Fi 2.2 系统总体设计框图 图 2.2.2 系统框图 2.3 系统主要功能 温湿度传感器：实习监控房屋内的温湿度情况，并显示在屏幕上。 烟雾传感器：防止火灾的发生。 天然气、液化气传感器：主要检测厨房仓库的危险气体，并发出警报。 红外传感器：实时监控门窗位置是否有人活动。 wifi模块：通过无线进行数据传输并与pc 机交互数据 stm32：作为主控芯片将采集到的传感器数据通过wifi传输到 pc。 pc 机：将采集到的传感器数据和视频信号反应在pc 机上 usb 摄像头：采集视频数据。 2.4 系统的设计原则和目标 路 由 红外传感器 MQ-5，MQ-7 温湿度传感器 烟雾传感器 手机 手机 PC Ov9655 摄像头 蜂 鸣 器 LCD A/D A/D （1）简单实用和经济性 作为一种日常使用的实用性系统设计，应该考虑其设计简单、 安装方便、 操 作简洁的同时，还要降低成本，能够满足大多数用户的承受能力。因此，要设计 一种系统简单、性价比高和经济实用的智能家居系统满足普通用户的需求。 （2）稳定性和可靠性 稳定性和可靠性是智能家居控制系统的基本原则，只有满足这两个条件， 系统才能得以运行和推广。 要想系统能够长时间无障碍运行，不能出现硬件的故 障和软件的内存泄露等。因此必须保证系统在运行期间软硬件设计的协调。 （3）可扩展性和实时性 在设计本系统时， 需要考虑本系统以后的优化和升级，以及在不同环境中 使用时 可以方便的对其功能进行增加，使其适应不同规模的环境。 与此同时， 当系统启动时， 需要实时监控室内数据， 并实时发送信息到用 户手持设备和其他检测站点， 对数据进行检测， 同时使主人第一时间知道室内的 变化。 2.5 系统的设计特点 图 2.5.1 建筑图 （1）厨房做饭易燃气泄漏，或产生CO ；用到天然气传感器× 1，CO传感 器×1； （2）卧室 24 小时监测温湿度，或监测意外火灾；用到温湿度传感器×1， 烟雾传感器× 1； （3）客厅人出现会多而且面积较大需安放：烟雾传感器× 3，也可以监测温 湿度安放温湿度传感器× 1； （4）杂物架干燥易发生火灾需要：烟雾传感器× 1，同时监测危险气体需 天然气传感器× 1，CO传感器× 1； （5）卫生间需要监测燃气泄漏，用天然气传感器×1； 每个窗户和门安放红外传感器×15； （烟雾传感器放在天花板， 天然气 传感器放在容易产生天然气的炉灶和管道旁边，温湿度传感器可以挂在墙壁上） 。 综合所有传感器天然气传感器× 3，CO传感器× 2，烟雾传感器× 5，温湿 度传感器× 2，红外传感器× 15。 另外用到主控芯片 STM32F103ZE (LQFP144)×1， Open103Z 调试器 下载器 × 1；显示屏 2.2inch 320x240 Touch LCD (A)×1，High-Precision AD/DA ×1，蜂鸣器 *10，wifi模块×2；pc 机×1；usb 摄像头 ×1；路由器 ×1；LED*20 ，电源适配 器（5V）*5，电源适配器（ 3.3V）*5，洞洞板 *6、杜邦线 *6 双排双塑插针 *6、 双排针母座 *6，继电器开关模块 *1，支架*1，工具箱*2，螺丝螺母 *5，反扣魔术 带*6，矩阵开关 *1。 第三章智能家居系统的硬件设计 3.1 STM32 主控制器模块 主控模块方案的比较与论证 （1）使用 C8051F ： C8051F的运算能力相对于ARM 与 FPGA 显得力不从心， 特别是本设计中若采 用摄像头模块，或是传感器数量多采集的数据量会很庞大，故单片机首先淘汰。 （2）使用 ARM （103Z）或 FPGA （XC3S500E ）作为主控模块： FPGA （XC3S500E ）该款芯片的运算能力在FPGA 中并不算强。 Xilinx的 Spartan-3E 系列的 XC3S500E 有 9312个 LUT ，对比 Altera的 Cyclone II系列的 EP2C35有 33216 个 LUT就可以看出来。虽然该芯片的静态功 耗很低。但该方案环境中系统一直处于实时监测状态，且其编译环境是ISE，在 win8（64 位）及其以上版本系统中存在严重的兼容性问题，虽可强行改变软件 内部设置（类似于一种伪装32 位的手段）。但该软件在仿真，编译时还是会有 问题。 ARM（103Z）具有强大的处理能力可以轻松实现对采集的信息和图形的处理， 可以满足本次设计需要。且近年来基于嵌入式的物联网设计，ARM 用的越来越广 泛。故使用 ARM 作为主控芯片。 3.1.1STM32F103ZET6 芯片介绍 基于 ARM Cortex-M3 核心的 32 位微控制器 ,LQFP-144 封装. 512K 片内 FLASH （相当于硬盘） ,64K 片内 RAM （相当于内存） ,片内 FLASH 支持在线编程 (IAP). 高达 72M 的频率 ,数据,指令分别走不同的流水线,以确保 CPU 运行速度达 到最大化 . 通过片内 BOOT 区,可实现串口下载程序 (ISP). 片内双 RC 晶振,提供 8M 和 32K 的频率 . 支持片外高速晶振 (8M),和片外低速晶振 (32K).其中片外低速晶振可用 于 CPU 的实时时钟 ,带后备电源引脚 ,用于掉电后的时钟行走 . 42 个 16位的后备寄存器 (可以理解为电池保存的RAM), 利用外置的纽扣 电池,和实现掉电数据保存功能. 支持 JTAG,SWD 调试.配合廉价的 J-LINK, 实现高速低成本的开发调试方 案. 多达 80 个 IO(大部分兼容 5V 逻辑),4 个通用定时器 ,2 个高级定时器 ,2 个 基本定时器 ,3路 SPI接口 ,2路 I2S 接口,2路 I2C 接口,5路 USART,一个 USB 从设 备接口 ,一个 CAN 接口,SDIO 接口,可兼容 SRAM,NOR 和 NAND Flash 接口的 16 位总线 -FSMC. 3 路共 16 通道的 12 位 AD 输入,2 路共 2 通道的 12位 DA 输出.支持片外 独立电压基准 . CPU 操作电压范围 :2.0-3.6V. 3.1.2 Open103z开发板介绍 表 3.1.1 开发板介绍 Open103Z开发板功能简介：主控芯片： STM32F103ZE (LQFP144) 主要资源：关键接口： 1 x LCD, 1 x 8-Bit I/O, 1 x ONE-WIRE, 1 x SDIO, 1 x CAN, 1 1 x DA, 2 x AD, 2 x USART, 2 x SPI, 2 x I2C, 3 x FSMC Open103Z调试器下载器功能简介：ST-LINK/V2 是一款可以在线仿真以及下载STM8 以及 STM32的开发 基本属性：ST-LINK/V2 是 ST 意法半导体为评估、开发STM8系列和 STM32系列 体的开发工具。 STM8系列通过SWIM接口与 ST-LINK/V2 连接 ; STM32系列通过JTAG / SWD接口与 ST-LINK/V2 连接。 3.2 STM32外围硬件模块设计 3.2.1 无线传输 -WIFI 模块 WiFi（无线保真协议） WiFi 技术简介 WiFi(Wireless Fidelity，无线保真技术 )是 IEEE 80211 的简称，是一种可支 持数据，图像，语音和多媒体且输出速率高达54Mb/s 的短程无线传输技术，在 几百米的范围内可让互联网接入者接收到无线电信号。WiFi 的首版于 1997 年问 世，当时其中定义了物理层和介质访问接入控制层(MAC层) 并在规定了无线局域 网的基本传输介质和网络结构的同时规范了介质访问层(MAC)的特性和物理层 （PHY ），其中物理层采用的是FSSS( 调频扩频 ) 技术、红外技术和DSSS( 直接序 列扩频 ) 技术。在 1999 年又新增了 IEEE 80211g和 IEEE 80211a标准进行完 善。 WiFi 技术特点 （1）传输范围广 WiFi 的电波覆盖范围半径高达100 m ，甚至连整栋大楼都可以覆盖，相对于半径 只有 15m蓝牙，优势相当明显。 （2）传输速度快 高达 54Mb/s的传输速率使得 WiFi 的用户可以随时随地接收网络，并可快速 地享受到类似于网络游戏、视频点播(VOD)、远程教育、网上证券、远程医 疗、视频会议等一系列宽带信息增值服务。在这飞速发展的信息时代，速度 还在不断提升的 WiFi 必能满足社会与个人信息化发展的需求。 （3）健康安全 WiFi 设备在 IEEE 80211 的规定下发射功率不能超过100 mW ，而实际的发 射功率可能也就在6070 mW 。与类似的通信设备相比，手机发射功率约在 200 mW 1 W，而手持式对讲机更是高达5 W。相对于这两者WiFi 产品的辐 射更小。 （4）普及应用度高 现今配置 WiFi 的电子设备越来越多，手机、笔记本电脑、平板电脑、几乎 都将 WiFi 列入了他们的主流标准配置。虽然ZigBee 功耗低，成本低，安 全保密性好，但是传播距离近， 数据信息传输速率低， 本身受用范围较小， 较难普及。所以我们小组采用WiFi 作为无线传输模块。 本模块采用上海庆 科信息技术有限公司开发的高速率嵌入式Wi-Fi 模块 EMW3162。它内部集成 了 TCP/IP 协议栈和 Wi-Fi 通讯模块驱动，用户利用它可以轻松实现嵌入式 设备的无线网络功能。 其中 EMW3162 是由上海庆科信息技术有限公司开发的 一款低功耗嵌入式 WIFI 模块。它集成了一个无线射频芯片和一个型号为 STM32F205 的 Cortex-M3 微控制器，内置“self-hosted”WIFI 网络函数 库以及应用组件。此外，还提供1M 字节的 flash、128K 字节的 RAM 以及 丰富的外设资源。 属性 单独工作电压： 3.3V； 功耗： - 连接 AP 且无数据传输时， 7mA; - 20kbps 下发送数据时， 24mA ； - 待机模式时， 8A； STM32F2 MCU 频率：120MHz ，flash 大小：1M 字节，RAM 大小：128k 节 片内功能： MAC/BB/RF; 外设： - 32 x GPIOs - 2 x UARTs ，包括硬件流控制 - 1 x SPI/I2S - 8 x ADC 输入信道， 2 x DAC 输出信道 - 1 x USB OTG ，2 x CAN - 1 x I2C - GPIO 引脚适用于 PWM/Timer input/ountput - SWD debug 接口 Wi-Fi 连接属性 - 支持 2.4GHz 下的 802.11b/g/n 114 信道 - WEP, WPA/WPA2 PSK/Enterprise 加密 - 传输功率： 18.5dBm11b, 15.5dBm11g, 14.5dBm11n - 最小接收灵敏度： -96dBm - 最大数据传输速率： 11Mbps11b, 54Mbps11g, 72Mbps11n HT20 - WIFI 模式： Station, SoftAP 和 WIFI 直连 - 1x1 802.11n 高级属性 工作温度： -4085 EMW3162 拥有两排引脚（ 1X15+1X15 ） ，引线结距 2mm. 蜂鸣器 蜂鸣器是一种小巧玲珑的电子发声器，可采用直流电压直接驱动供电， 广泛 应用于 PC机、报警器、电子玩具等电子产品中用作发声器。 蜂鸣器结构原理 1. 压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器（Multivibrator）、压电蜂鸣片（ The piezoelectric buzzer）、 阻抗匹 配器 （ Impedance matching ） 及共 鸣腔 （Resonance chamber）、外壳等组成。多谐振荡器（ Multivibrator)由晶体 管或者集成电路组建而成。 接通电源后 , 自身的多谐振荡器 （Multivibrator）发 生振动 , 产生出 1.5 到 2.5k 赫兹的有源声音信号，然后阻抗匹配控制器推动压 电蜂鸣片发声。 2. 蜂鸣器电磁式结构是由振荡器 （oscillator） 、 Magnet coil 、 磁铁（Magnet） 、 振动膜片和塑料外壳等组成。 接通电源后，振荡器 (Oscillator) 产生的有源信号通过电磁线圈电阻使其产生磁场。电磁线圈(Magnet coil)和磁 铁的相互影响作用下，使得振动膜片规律性地发声。 驱动方式及电路 自激蜂鸣器是完全由直流电压驱动的，完全不需要其他交流信号等来进行驱 动，只需要直接对引脚驱动口输出一定电压即可，引脚连接着三极管放大器的基 极，通过三极管即可使蜂鸣器发出声音。 图 3.2.1 蜂鸣器驱动电路 3.3 家居系统模块设计 3.3.1 温湿度采集模块 本模块采用 DHT22 温湿度传感器。AM2302 湿敏电容数字温湿度模块是一 款含有己校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技 术和温湿度传感技术， 确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器 包括一个电容式感湿元件和一个高精度测温元件，并与一个高性能 8 位单片机 相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优 点。每个传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式 储存在单片机中， 传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。标 准单总线接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输 距离可达 20 米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。 产品为 3 引线（单总线接口） 连接方便。 特殊封装形式可根据用户需求而提供。 接口说明（以接入 MCU 为例） VCC：接 3.3V 5.5V GND：接 GND DOUT：接 MCU.IO 本产品是已校准的数字温湿度传感器，用于检测环境温湿度，采用 DHT22(AM2302) ，标准单总线接口。拥有比 DHT11 更高的精度和更大的量程。 表 3.3.1 DHT22温湿度传感器特性参数： 湿度温度 分辨率0.1 %RH 0.1 量程范围0 99.9 %RH -40 80 精度±2 %RH (25) ± 0.5 推荐存储环境60%RH 以下10°C 40 °C 工作电压3.3V-5V 图 3.3.1 DH22原理图 AM2302 器件采用简化的单总线通信。单总线即只有一根数据线，系统中的 数据交换、控制均由数据线完成。 单总线通常要求外接一个约 5.1k 的上拉电 阻，这样，当总线闲置时，其状态为高电平。SDA 用于微处理器与 AM2302 之间 的通讯和同步 , 采用单总线数据格式，一次传送 40 位数据，高位先出。具体通 信时序如图所示。 图 3.3.2 时序图 1 微处理器的 I/O 设置为输出， 同时输出低电平， 且低电平保持时间不能小 于 800us ，典型值是 拉低 1MS ， 然后微处理器的 I/O 设置为输入状态，释放总线， 由于上拉 电阻， 微处理器的 I/O 即 AM2302 的 SDA 数据线也随之变高，等主机释放总线后， AM2302 发送响 应信号，即输出 80 微 秒的低电平作为应答信号，紧接着输出 80 微秒的高电平通知外设准备接 收数据，信号传输如图所示： 图 3.3.3 时序图 2 位数据“ 0”的格式为：50 微秒的低电平加26-28 微秒的高电平； 位数据“ 1”的格式为：50 微秒的低电平加70 微秒的高电平； 位数据“ 0”、位数据“1”格式信号如图所示： 图 3.3.4 时序图 3 外设读取设备流程图： 图 3.3.5 单总线读取流程图 Open103Z 1) 用杜邦线将 DHT22 接到 Open103Z，DOUT 接到 UNO 的 PA3 端口。 2) 用 keil 软件打开程序 . Open103ZMDK_ProjectDHT22, 并编译下载。 3) 打开串口监视软件，选择正确的串口号，并设置如下： 波特率： 9600；数据位： 8；停止位： 1；校验位： None ；控制流： None 。 串口输出温度和湿度。 3.3.2 烟雾报警模块 一般火灾发生时除了有燃烧的大火外，通常还伴随着浓烈的烟雾产生。 烟雾 报警器的工作原理就是通过内部的粉尘传感器对空气中烟雾的浓度进行检测，从 而对火灾进行预警。 本模块是以夏普 GP2Y1010AU0F 为核心的灰尘传感器。 传感器内部的红外二 极管，可以输出一个跟灰尘浓度成线性关系的电压值。通过该电压值即可计算出 空气中的灰尘和烟尘含量。 与其他同类产品相比， 此传感器可测量 0.8 微米以上 的微小粒子，又具有体积小, 重量轻 , 便于安装的优点。 测量对象： 直径大于 0.8 m 灰尘颗粒 有效量程： 500g/m 3 输出类型： 电压模拟量 工作电压： 2.5V5.5V 产品尺寸： 63.2mm*41.3mm 固定孔尺寸：2.0mm 通气孔尺寸：9.0mm 图 3.3.1 灰尘传感器原理图 传感器控制原理 （1）通过设置模块 ILED引脚为高电平，从而打开传感器内部红外二极管。 （2）等待 0.28ms，外部控制器采样模块 AOUT引脚的电压值。这是因为传 感器内部红外二极管在开启之后 0.28ms，输出波形才达到稳定。 （3）采样持续 0.04ms 之后，再设置 ILED引脚为低电平，从而关闭内部红 外二极管。 （4）根据电压与浓度关系即可计算出当前空气中的灰尘浓度。 主要用途 检测空气中灰尘浓度，用于空气净化器、空气质量监测仪、PM2.5 检测仪 等。 表 3.3.3 传感器接口说明 引脚号标识描述 1 VCC电源正 (2.5V-5.5V) 2 GND 电源地 3 AOUT 电压模拟量输出 4 ILED 传感器内部 LED 驱动 烟雾传感器模块输出的是一个模拟量，所以我们需要使用STM32 自带的 ADC （12位）进行数据采集 （使用前需要将开发板上的ADC参考电压引脚 VREF+ 接到 3.3v ，VREF- 接到 GND ），同时因为模块供电为5v 输出模拟电压最大在4v 以上， 所以我们需要对输出电压进行一定的分压处理，分压电路如下图： 图 3.3.2 分压电路 Vin 为传感器模拟输出口，Vout 接 STM32 ADC接口。 表 3.3.2 空气浓度指数 PM2.5 空气质量空气质量空气质量指 浓度均值 ( g/m3) AQI 级别数类别 0-35 0-50 一级优 35-75 51-100 二级良 115-150 151-200 四级中度污染 150-250 201-300 五级重度污染 250-500 300 六级严重污染 3.3.3 红外报警模块 HC-SR501 人体感应模块是基于红外线技术的自动控制模块，采用德国原 装进口 LHI778 探头设计，灵敏度高，可靠性强，超低电压工作模式，广泛应 用于各类自动感应电器设备，尤其是干电池供电的自动控制产品。当有人进 入其感应范围则输入高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出 低电平。模块可设置光敏控制，白 天或光线强时不感应。 工作电压范围宽：默认工作电压DC4.5V-20V 。 电平输出高 3.3 V /低 0V. 感应模块采用双元探头，探头的窗口为长方形，双元（A元 B元）位于较长 方向的两端，当人体从左到右或从右到左走过时, 红外光谱到达双元的时间、距 离有差值， 差值越大， 感应越灵敏， 当人体从正面走向探头或从上到下或从下到 上方向走过时， 双元检测不到红外光谱距离的变化，无差值，因此感应不灵敏或 不工作；所以安装感应器时应使探头双元的方向与人体活动最多的方向尽量相平 行，保证人体经过时先后被探头双元所感应。为了增加感应角度范围， 本模块采 用圆形透镜， 也使得探头四面都感应， 但左右两侧仍然比上下两个方向感应范围 大、灵敏度强，安装时仍须尽量按以上要求。 图 3.3.3 模块内部电路图 3.3.4 有害气体报警模块 （液化气天然气传感器与CO传感器） 根据实际情况需要监测天然气或煤气泄漏的位置：厨房（燃气灶使用天然 气） 北侧卫生间（可能会使 用燃气式热器） 另外考虑到天然气或煤气的不完全燃烧可能会产生对人体有害的气体CO ， 故在上述两处地方安装CO传感器。 因其数量较少， 通过引线直接接到主控芯片上。 该传感器使用与烟雾传感器 使用方法是一样的不再赘述。但是使用ADC 通道时注意不要出现重复。 1，本方案中的监测天然气或煤气泄漏采用MQ-5 Gas Sensor 传感器原理图 如下图所示： 图 3.3.4 MQ-5 Gas Sensor传感器原理图 MQ-5 Gas Sensor 传感器性能参数指标： 表 3.3.3 产品特性： 敏感气体液化气，天然气，煤气 升压芯片PT1301 工作电压2.5V-5.0V 产品尺寸40.0mm*21.0mm 固定孔尺寸2.0mm 原理： MQ-5 气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡 (SnO2)。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气 体浓度的增加而增大。 MQ-5 气体传感器对丁烷、丙烷、甲烷的灵敏度高，对甲 烷和丙烷可较好的兼顾。 这种传感器可检测多种可燃性气体，特别是天然气， 是 一款适合多种应用的低成本传感器。 表 3.3.4 接口说明： 本方案中的 CO监测使用 MQ-7 Gas Sensor 传感器原理图如下图所示： ： 图 3.3.5 MQ-7 Gas Sensor传感器原理图 MQ-7 Gas Sensor传感器性能参数指标： 引脚号标识描述STM32 单片机引脚 1 DOUT 数字量输出GPIOA.4 2 AOUT 模拟量输出GPIOA.6 3 GND 电源地GND 4 VCC 电源正 (2.5V-5.0V) 3.3V 表 3.3.5 产品特性： 敏感气体一氧化碳 升压芯片PT1301 工作电压2.5V-5.0V 产品尺寸40.0mm*21.0mm 固定孔尺寸2.0mm 原理： MQ-7 气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡 (SnO2)。当传感器所处环境中存在一氧化碳气体时，传感器的电导率随空气中 一氧化碳气体浓度的增加而增大。 表 3.3.6 接口说明： 摄像头模块 ov9655 像素： 130万像素 供电电压： 3.3V IO 电压： 1.7V 3.3V DC 输出格式： YUV/YCbCr 4:2:2 RGB565/555 GRB 4:2:2 Raw RGB Data 最大图片输出速度： SXGA 15fps VGA,CIF and down scaling 30fps 任务分工： 赵云璋：代码编程、温湿度传感器、红外传感器。 杨杰：烟雾传感器、主控芯片连接与调试。Wifi 调试。 章灿然：有害气体传感器。主控芯片、wifi调试。 引脚号标识描述STM32 单片机引脚 1 DOUT 数字量输出GPIOA.4 2 AOUT 模拟量输出GPIOA.6 3 GND 电源地GND 4 VCC 电源正 (2.5V-5.0V) 3.3V 表 3.3.7元器件清单 序号元件名称数量单价总计 1 天然气传感器3 5.2 15.6 2 CO传感器2 6.5 13 3 烟雾传感器3 14 70 4 温湿度传感器2 24 48 5 红外传感器3 3.6 54 6 STM32F103ZE 1 161.5 161.5 7 Open103Z 调试器 下载器 1 8 显示屏 2.2inch 320x240 Touch LCD (A) 1 23.5 23.5 9 High-Precision AD/DA 1 7.8 7.8 10 蜂鸣器5 12.8 128 11 wifi模块2 55 110 12 Ov9655摄像头1 90 58 13 路由器1 30 30 14 LED 10 15 电源适配器（5V）3 3.6 18 16 电源适配器 （ 3.3V） 3 3.6 18 17 洞洞板3 18 杜邦线3 19 双排双塑插针3 20 双排针母座3 21 继电器开关模块1 22 支架1 23 工具箱2 24 螺丝螺母5 25 反扣魔术带6 26 矩阵开关1 总计960.4