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一、引言
（一）研究背景及意义
背景：随着智能家居概念的普及，人们对家庭安全、舒适度和节能提出了更高要求。传统安防系统功能单一、各系统独立，缺乏联动和远程管理能力。
意义：本系统集成环境监测（温湿度、烟雾、火焰、光照）、安防（人体红外入侵检测）和智能控制（灯光、风扇、水泵）于一体，通过STM32实现智能化决策，并通过WiFi实现远程监控。它有效提升了家庭安全性、舒适性和能源利用效率，是智能家居的重要组成部分。
（二）国内外研究现状
国内现状：国内智能家居市场发展迅速，有小米、华为等生态链产品，但多为独立产品（如单独的温度计、人体传感器），深度自定义和本地联动能力较弱。
国外现状：国外如SmartThings、Home Assistant等平台强调本地化集成和高度自动化，但入门门槛和成本较高。
本文创新点：本设计以STM32为本地控制核心，实现了高度集成的多参数监测和复杂的本地自动化逻辑（手动/自动模式），同时通过WiFi与手机APP通信，提供了一种高性价比、高灵活性、高可靠性的本地+远程一体化家庭安全监测解决方案。
二、系统总体设计
（一）系统架构
系统采用“感知-决策-执行-云控”架构。
感知层：由DHT11（温湿度）、MQ-2（烟雾）、火焰传感器、光敏电阻、HC-SR501（人体红外）组成。
决策层：STM32F103核心板，运行主控制逻辑。
执行层：继电器模块（控制灯、风扇、水泵）、蜂鸣器。
人机交互层：OLED显示屏、按键。
云平台层：ESP8266 WiFi模块，连接手机APP，实现数据上传和指令下发。
（二）功能模块划分
环境监测模块：负责采集温湿度、烟雾浓度、火焰、光照强度。
安防监测模块：人体红外检测，判断入侵。
核心控制模块：STM32，处理所有数据，执行模式逻辑。
设备控制模块：通过继电器控制灯、风扇、水泵。
报警模块：蜂鸣器发声报警。
交互模块：OLED显示、按键设置。
通信模块：ESP8266，负责与云平台/APP交互。
三、硬件设计与实现
（一）系统硬件框架图
（二）主控模块选型及介绍
选用STM32F103C8T6。理由：资源丰富（多路ADC、GPIO、USART），性能强大，足以同时处理多路传感器数据、驱动多个外设、进行逻辑判断和网络通信，是复杂嵌入式项目的理想选择。
（三）传感器模块选型及电路设计
DHT11温湿度传感器：单总线数字式，接3.3V，DATA脚接GPIO加上拉电阻。
MQ-2烟雾传感器：模拟输出，接5V，AOUT脚接STM32的ADC引脚。
火焰传感器：数字输出（DO）和模拟输出（AO）。DO可直接接GPIO，用于阈值报警；AO接ADC，可用于测量火焰强度。接5V。
光敏电阻：配合10KΩ电阻组成分压电路，中间点接STM32的ADC引脚，接3.3V。
HC-SR501人体红外传感器：数字输出，接5V，OUT脚接GPIO输入。
（四）通信模块选型及配置
选用ESP-01S ESP8266模块。通过AT指令与STM32的USART进行通信，连接至云平台（如OneNET、Blinker、阿里云等）。
（五）执行模块选型及驱动电路
选用3路5V继电器模块（分别控制灯、风扇、水泵）和有源蜂鸣器。
驱动电路：继电器模块可直接由STM32的IO口驱动（内置光耦隔离）。蜂鸣器通过一个NPN三极管（如S8050）驱动，基极通过1K电阻接STM32的IO口。
（六）显示与交互模块选型及接口电路
OLED显示屏：0.96寸SSD1306，I2C接口，SCL接PB6，SDA接PB7。
按键：使用3个轻触按键，一端接地，另一端分别接GPIO（设置为上拉输入），用于切换界面、模式、手动控制和设置阈值。
（七）电源模块设计
采用5V/2A直流电源适配器供电，通过AMS1117-3.3V稳压芯片为STM32、OLED、DHT11、光敏电阻提供3.3V电源。其他模块使用5V供电。
四、软件设计与实现
（一）开发环境搭建
IDE：Keil uVision 5 / STM32CubeIDE。
库：HAL库。
云平台：推荐使用Blinker或OneNET，其对APP开发支持友好，可快速搭建手机端界面。
（二）系统软件流程图
（三）系统初始化（代码片段）
int main(void) {
HAL_Init();
SystemClock_Config();
MX_GPIO_Init();
MX_ADC1_Init();
MX_I2C1_Init();
MX_USART2_UART_Init(); // 用于ESP8266
OLED_Init();
ESP8266_Init();
Read_Threshold_From_EEPROM(); // 从EEPROM读取存储的阈值
while (1) {
Sensor_Read_Task(); // 传感器读取任务
OLED_Refresh_Task(); // 显示刷新任务
Key_Scan_Task(); // 按键扫描任务
Control_Task(); // 核心控制任务
Cloud_Comm_Task(); // 云通信任务
HAL_Delay(200);
}
}（四）多传感器数据采集与处理（代码片段）
// 读取光照强度（ADC值 -> Lux需校准）
uint16_t Read_Light_Sensor(void) {
uint32_t adc_val = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
// 可根据公式或查表法转换为Lux，此处返回原始ADC值用于比较
return (uint16_t)adc_val;
}
// 读取火焰传感器
uint8_t Read_Flame_Sensor(void) {
// 如果使用数字输出，直接读取电平
return HAL_GPIO_ReadPin(FLAME_GPIO_Port, FLAME_Pin);
// 如果使用模拟输出，则进行ADC采样并与阈值比较
}
// 读取所有传感器
void Sensor_Read_Task(void) {
DHT11_Read(&temperature, &humidity);
smoke_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc2);
light_value = Read_Light_Sensor();
flame_detected = Read_Flame_Sensor();
pir_detected = HAL_GPIO_ReadPin(PIR_GPIO_Port, PIR_Pin);
}（五）模式切换与逻辑控制（代码片段）
void Control_Task(void) {
if (system_mode == AUTO_MODE) {
// 1. 光照控制
if (light_value > light_threshold) { // ADC值越大，光照越弱
Light_OFF();
} else {
Light_ON();
}
// 2. 温度控制
if (temperature > temp_threshold) {
Fan_ON();
} else {
Fan_OFF();
}
// 3. 安防与火灾控制（最高优先级）
if (smoke_value > smoke_threshold || flame_detected == 0) { // 火焰传感器检测到火焰时输出低电平
Buzzer_ON();
Fan_ON(); // 通风
WaterPump_ON(); // 喷水灭火
} else if (is_armed && pir_detected) { // 布防状态且有人
Buzzer_ON();
} else {
Buzzer_OFF();
WaterPump_OFF();
}
} else { // MANUAL_MODE
// 手动模式下，设备状态完全由manual_light_cmd等变量控制
// 这些变量由按键或APP设置
Light_Set(manual_light_cmd);
Fan_Set(manual_fan_cmd);
WaterPump_Set(manual_pump_cmd);
}
}（六）人机交互实现（代码片段）
// 按键扫描状态机
void Key_Scan_Task(void) {
static uint8_t key_state = 0;
if (KEY1 == 0) { // 按键按下
HAL_Delay(20); // 消抖
if (KEY1 == 0) {
if (key_state == 0) {
key_state = 1;
current_screen = (current_screen + 1) % TOTAL_SCREENS; // 切换显示界面
}
}
} else {
key_state = 0;
}
// ... 类似处理KEY2（模式/确认）、KEY3（设置/返回）
}
// 在设置菜单中修改阈值
void Enter_Setting_Menu(void) {
// 通过按键选择要修改的项（如温度阈值）
// 按KEY2或KEY3增加/减少数值
// 按KEY1确认并保存到EEPROM
}五、系统测试与优化
（一）测试方案
功能测试：
环境控制：用手遮挡光敏电阻，测试灯是否自动开启；用电吹风加热，测试风扇是否启动。
安防报警：在布防状态下，在红外传感器前移动，测试蜂鸣器报警。
火灾模拟：用打火机模拟火焰，用烟熏MQ-2，测试水泵、风扇、蜂鸣器是否联动。
模式切换：测试按键和APP切换模式功能。
远程通信：测试APP数据刷新和远程控制设备的功能。
性能测试：测试系统响应延迟、通信稳定性、控制精度。
（二）测试结果与分析
记录测试数据，分析是否达到预期目标。例如：从检测到火焰到水泵启动的延迟<1秒。
（三）系统优化
软件优化：为烟雾传感器ADC值加入滑动平均滤波，防止误报；设置延时触发机制（如持续3秒超阈值才触发火灾报警），避免瞬时干扰。
硬件优化：为水泵继电器增加续流二极管，保护STM32的IO口；合理布局传感器，避免相互干扰（如温度传感器远离发热元件）。
六、结论与展望
（一）结论
本项目成功设计并实现了一套高度集成、功能强大的家庭安全监测系统。系统稳定可靠，实现了环境监测、安防报警、智能联动和远程监控的所有预设功能，为智能家居提供了一个优秀的本地控制中枢方案。
（二）未来展望
增加摄像头模块：在检测到入侵时，抓拍图片并上传到手机APP，提供可视化证据。
语音提示与控制：加入语音合成模块（如SYN6288），实现中文语音报警；加入语音识别模块，实现本地语音控制。
多设备联动：通过WiFi或Zigbee与其他智能设备联动，如发生火灾时自动打开窗户。
能源管理：增加电量统计功能，优化电器使用，实现节能。
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