一、項目開發背景

隨著城市化進程的推進，工地建設和拆遷作業逐漸增多，工地環境的空氣污染、噪聲污染等問題越來越嚴重。為了改善工地周邊居民的生活環境和施工人員的工作環境，工地環境實時監測與控制系統應運而生。該系統通過實時監測空氣中的PM2.5、噪聲、溫濕度等環境參數，將數據上傳至云端平臺進行存儲和分析，從而實現對環境的實時監控和智能控制。

此外，本項目通過控制加濕系統降低空氣中的粉塵濃度，確保工地作業環境符合安全和健康標準。通過將監測數據上傳至云端服務器，項目還能夠提供全面的環境可視化展示，便于施工方和管理方進行數據分析與決策。

二、設計實現的功能

1. 支持檢測空氣中的PM2.5含量

系統通過使用夏普PM2.5傳感器檢測空氣中的PM2.5濃度，并實時反饋到本地LCD顯示屏，同時上傳到云平臺進行進一步分析。

2. 支持檢測環境的噪聲

通過噪聲檢測傳感器檢測周圍環境的噪聲水平，轉換為電壓信號，經過處理后得到噪聲值，實時顯示在LCD屏幕上并上傳至云端。

3. 本地實時顯示數據

采用1.44寸LCD顯示屏，實時顯示PM2.5濃度、噪聲級別、溫濕度值等環境數據，方便現場人員實時查看。

4. 數據上云并可視化展示

系統通過WIFI連接到華為云物聯網服務器，實時上傳采集到的環境數據。然后通過搭建自有的后端服務器，使用Python的socket模塊從華為云獲取數據，并通過Flask框架構建Web應用，展示環境監測數據的可視化大屏。

5. 設備端數據傳輸使用WIFI+MQTT協議

設備端（STM32）通過ESP8266模塊連接WiFi，并使用MQTT協議將監測數據傳輸到華為云物聯網平臺。MQTT協議輕量且高效，非常適合物聯網環境下的數據傳輸。

6. 加濕系統控制

當PM2.5濃度超過設定范圍時，系統自動控制加濕器工作，通過繼電器驅動噴灑水霧，降低空氣中的粉塵濃度。

7. 支持環境溫度和濕度檢測

系統通過SHT30傳感器實時監測環境的溫度和濕度，數據通過STM32處理后顯示在LCD上，并上傳至云端平臺。

三、項目硬件模塊組成

1. 主控芯片：STM32F103RCT6
   • 負責處理所有傳感器的信號，控制加濕器，并進行數據上傳。
   • 支持GPIO、ADC、UART等接口，適用于本項目的各項需求。
2. PM2.5傳感器（夏普）
   • 采用紅外光散射原理，實時檢測空氣中的PM2.5濃度。
3. 噪聲傳感器
   • 模擬輸出，通過轉換為電壓信號來表示噪聲的強度。
4. LCD顯示屏（1.44寸）
   • 用于實時顯示環境數據，包括PM2.5濃度、噪聲、溫濕度等。
5. ESP8266 WiFi模塊
   • 提供無線連接功能，將設備端數據通過WiFi傳輸到云端。
6. 繼電器模塊
   • 用于控制加濕器的開關，響應PM2.5濃度的變化，啟動噴水加濕。
7. SHT30溫濕度傳感器
   • 精度高，穩定性好，用于檢測環境的溫度和濕度。
8. 電源模塊（USB供電）
   • 提供穩定的5V電源，確保系統運行。

四、設計思路

1. 硬件設計

• 主控芯片STM32F103RCT6通過GPIO和ADC接口與PM2.5傳感器、噪聲傳感器、SHT30溫濕度傳感器進行數據采集。
• 通過UART接口與ESP8266通信，進行WiFi連接和MQTT協議數據傳輸。
• LCD顯示屏通過SPI接口與STM32連接，用于實時顯示環境參數。
• 使用繼電器控制加濕器，當PM2.5濃度超標時啟動加濕器，保持工地環境的穩定。

2. 軟件設計

• 使用Keil5開發環境編寫STM32的控制程序，程序包括傳感器數據采集、加濕器控制、LCD顯示更新、WiFi連接、MQTT數據上傳等功能。
• 在后端，使用Python的socket模塊建立與云服務器的通信，通過Flask框架提供Web界面，展示云端環境數據。

3. 數據上傳和可視化

• STM32通過ESP8266模塊上傳數據到華為云物聯網平臺，數據格式采用JSON。
• 后端服務器通過MQTT協議從華為云獲取實時數據，使用Flask框架展示數據，并通過前端大屏進行實時數據可視化。

五、系統功能總結

| 功能模塊 | 具體內容 |

| ---------- | ------------------------------------------------------- |

| 環境監測 | 檢測PM2.5、噪聲、溫濕度等環境數據 |

| 本地顯示 | LCD顯示屏實時顯示各項監測數據 |

| 數據上傳 | 通過WiFi將數據上傳至華為云物聯網平臺 |

| 數據展示 | 使用Flask框架搭建Web應用，展示實時環境數據 |

| MQTT協議 | 設備端與云平臺使用MQTT協議進行數據傳輸 |

| 加濕器控制 | 根據PM2.5濃度自動控制加濕器，降低空氣中的粉塵濃度 |

| 后端服務器 | 使用Python和Flask框架搭建后端服務器，支持數據獲取與展示 |

| 可視化大屏 | 提供前端大屏顯示，實時顯示環境數據 |

六、使用的模塊的技術詳情介紹

1. PM2.5傳感器（夏普）

• 工作原理：通過紅外光散射原理檢測空氣中的顆粒物（如PM2.5）。
• 輸出信號：通過數字信號輸出PM2.5的濃度，單位為μg/m3。
• 精度：±10%（標準測試條件下）。

2. 噪聲傳感器

• 工作原理：根據聲音的強度變化，輸出與噪聲大小成比例的電壓信號。
• 輸出信號：模擬電壓輸出。
• 測量范圍：一般為30dB至120dB。

3. SHT30溫濕度傳感器

• 工作原理：通過電容式濕度傳感器和溫度傳感器芯片實現高精度的溫濕度檢測。
• 輸出信號：通過I2C總線輸出溫度（°C）和濕度（%RH）值。
• 精度：溫度±0.3°C，濕度±2%RH。

4. ESP8266 WiFi模塊

• 技術特點：支持WiFi協議、TCP/IP協議棧，具有獨立的處理能力，可以作為WiFi終端連接到網絡。
• 功能：用于無線數據傳輸，支持MQTT協議。

5. 繼電器模塊

• 用于控制電氣設備（如加濕器），響應系統的控制信號。

6. LCD顯示屏

• 技術特點：1.44寸的彩色LCD顯示屏，分辨率128x128像素。
• 用途：實時顯示環境數據，便于現場人員查看。

七、總結

本項目設計了一個基于STM32的工地環境實時監測與控制系統，涵蓋了空氣質量、噪聲、溫濕度的檢測與展示，數據上云并可視化展示，通過控制加濕器自動調節空氣質量。系統結合硬件和軟件的設計，實現了環境監測與控制的智能化與自動化，提升了工地環境的安全性和舒適度，具有較高的實用價值。

八、STM32代碼設計

其他子模塊（如PM2.5傳感器、噪聲傳感器、SHT30溫濕度傳感器、LCD顯示、WiFi模塊ESP8266等）的驅動和功能已經寫好，只需要在main.c中整合這些模塊，實現系統的整體功能。為了簡化代碼，重點展示如何初始化和使用這些模塊。

#include "stm32f1xx_hal.h"

#include "lcd.h"

#include "pm25.h"

#include "noise_sensor.h"

#include "sht30.h"

#include "wifi.h"

#include "mqtt.h"

#include "relay.h"


// 定義外部傳感器和硬件接口

extern PM25_TypeDef pm25_sensor;    // PM2.5傳感器實例

extern NoiseSensor_TypeDef noise_sensor;  // 噪聲傳感器實例

extern SHT30_TypeDef sht30_sensor;  // 溫濕度傳感器實例

extern Relay_TypeDef relay;         // 繼電器控制實例

extern WifiModule_TypeDef wifi_module;  // ESP8266 WiFi模塊

extern MQTT_Client_TypeDef mqtt_client;  // MQTT客戶端


// 定義全局變量

float pm25_value = 0.0;    // 存儲PM2.5濃度值

float noise_value = 0.0;   // 存儲噪聲值

float temperature = 0.0;   // 存儲溫度值

float humidity = 0.0;      // 存儲濕度值


// 功能聲明

void SystemClock_Config(void);

void MX_GPIO_Init(void);

void MX_USART1_UART_Init(void);

void MX_I2C1_Init(void);

void MX_SPI1_Init(void);


// 主程序

int main(void)

{

    // 初始化硬件

    HAL_Init();

    SystemClock_Config();

    MX_GPIO_Init();

    MX_USART1_UART_Init();

    MX_I2C1_Init();

    MX_SPI1_Init();


    // 初始化外設

    LCD_Init();      // 初始化LCD顯示屏

    PM25_Init(&pm25_sensor);  // 初始化PM2.5傳感器

    NoiseSensor_Init(&noise_sensor);  // 初始化噪聲傳感器

    SHT30_Init(&sht30_sensor);  // 初始化SHT30溫濕度傳感器

    Relay_Init(&relay);    // 初始化繼電器

    Wifi_Init(&wifi_module);  // 初始化WiFi模塊

    MQTT_Init(&mqtt_client);  // 初始化MQTT客戶端


    // 連接WiFi網絡

    if (Wifi_Connect(&wifi_module)) {

        printf("WiFi Connected.n");

    } else {

        printf("WiFi Connection Failed!n");

    }


    // 連接MQTT服務器

    if (MQTT_Connect(&mqtt_client)) {

        printf("MQTT Connected.n");

    } else {

        printf("MQTT Connection Failed!n");

    }


    // 主循環

    while (1)

    {

        // 1. 獲取環境數據

        pm25_value = PM25_Read(&pm25_sensor);  // 讀取PM2.5濃度

        noise_value = NoiseSensor_Read(&noise_sensor);  // 讀取噪聲值

        SHT30_Read(&sht30_sensor, &temperature, &humidity);  // 讀取溫濕度


        // 2. 顯示數據到LCD

        LCD_Clear();

        LCD_DisplayString("PM2.5: %.2f μg/m3", pm25_value);

        LCD_DisplayString("Noise: %.2f dB", noise_value);

        LCD_DisplayString("Temp: %.2f C", temperature);

        LCD_DisplayString("Humidity: %.2f %%", humidity);


        // 3. 控制加濕器（如果PM2.5超標）

        if (pm25_value > 100.0) {  // 如果PM2.5濃度超過100 μg/m3，啟動加濕器

            Relay_SetState(&relay, RELAY_ON);  // 打開加濕器

        } else {

            Relay_SetState(&relay, RELAY_OFF);  // 關閉加濕器

        }


        // 4. 上傳數據到云端

        char payload[256];

        snprintf(payload, sizeof(payload), 

                 "{"pm25": %.2f, "noise": %.2f, "temperature": %.2f, "humidity": %.2f}", 

                 pm25_value, noise_value, temperature, humidity);

        

        // 發布數據到MQTT服務器

        MQTT_Publish(&mqtt_client, "environment/data", payload);


    }

}

代碼解析

1. 硬件初始化：
   • 在main()函數的開頭，通過HAL_Init()初始化HAL庫，然后調用各個硬件初始化函數初始化GPIO、串口、I2C和SPI接口。
   • 初始化LCD、PM2.5傳感器、噪聲傳感器、SHT30傳感器、WiFi模塊和MQTT客戶端。
2. 環境數據采集：
   • 使用傳感器驅動函數（如PM25_Read()、NoiseSensor_Read()、SHT30_Read()）從相應的傳感器獲取PM2.5濃度、噪聲值、溫濕度值。
3. 數據展示：
   • 使用LCD顯示模塊在LCD上顯示PM2.5、噪聲、溫濕度數據。
4. 加濕器控制：
   • 根據PM2.5濃度的閾值（如100 μg/m3），判斷是否需要啟動加濕器，通過Relay_SetState()函數控制繼電器開關。
5. 數據上傳：
   • 將讀取的環境數據通過JSON格式上傳至MQTT服務器。調用MQTT_Publish()將數據發布到指定的MQTT主題上。

以上代碼展示了如何將各個子模塊（傳感器、WiFi、MQTT、繼電器等）整合在一個STM32項目中，完成實時環境監測、數據展示、數據上傳和控制加濕器的功能。

審核編輯 黃宇