基于单片机的室内环境监测系统设计

一、系统设计背景与意义

传统室内环境监测多依赖单一功能设备，如独立温湿度计、甲醛检测仪等，存在明显局限：数据分散，难以综合评估环境质量；缺乏实时预警，当PM2.5超标、甲醛浓度过高等问题出现时，用户难以及时察觉；普通设备无法记录环境变化趋势，难以追溯污染源头。尤其在新装修房屋、母婴房等场景，对温湿度、空气质量的精准监测需求迫切，传统设备已无法满足健康管理需求。

基于单片机的室内环境监测系统，能针对性破解这些问题。单片机作为控制核心，具备低成本（整套系统成本低于200元）、集成度高的特点，可整合多类传感器，实现温湿度、PM2.5、甲醛、光照等参数的同步监测。系统通过“多参数采集-综合分析-智能预警”模式，不仅能实时呈现室内环境全貌，还能通过数据记录辅助优化居住环境，推动室内环境管理从“分散监测”向“综合智能”转型，为家庭、办公场所提供便捷的健康保障方案。

二、系统总体设计

系统采用“单片机核心+多传感器集成”架构，以STM32F103C8T6为控制核心（兼顾运算能力与低功耗），整合环境感知、数据处理、显示与报警模块，实现多参数协同监测。

硬件部分包括：多参数感知模块（DHT11检测温湿度，SDS011检测PM2.5，ZE08-CH2O检测甲醛浓度，BH1750检测光照强度）；显示模块（1.3英寸OLED屏，实时显示各参数值与状态）；报警模块（蜂鸣器+三色LED，参数超标时声光提醒）；通信模块（ESP8266 WiFi模块，支持数据上传至手机APP）；电源模块（5V直流供电，支持USB或锂电池，续航≥12小时）。各模块通过I2C、UART接口与单片机连接，整体体积小巧（10cm×8cm×3cm），便于放置在客厅、卧室等场景。

软件采用C语言编程，基于FreeRTOS实现多任务调度：传感器数据采集（100ms/次）、数据滤波处理、阈值判断、显示与通信任务并行执行，确保监测实时性与稳定性。预设各参数安全阈值（如甲醛≤0.08mg/m³，PM2.5≤75μg/m³），可通过APP远程修改。

三、系统核心功能实现

（一）多参数协同监测

系统通过多传感器同步采集环境数据：DHT11每2秒输出温湿度值（精度±2℃、±5%RH）；SDS011激光传感器每10秒更新PM2.5浓度（量程0-500μg/m³，精度±10%）；ZE08-CH2O电化学传感器每30秒检测甲醛浓度（量程0-5mg/m³，精度±0.02mg/m³）；BH1750每5秒采集光照强度（量程0-65535lux，精度±20%）。单片机对原始数据进行滑动平均滤波，消除瞬时干扰（如人员走动导致的PM2.5波动），确保数据稳定可靠，OLED屏分区域实时显示各参数，直观呈现环境状态。

（二）分级预警与联动提醒

系统根据参数超标程度触发分级预警：当某参数超过安全阈值但未达危险值（如PM2.5为80-100μg/m³），黄色LED闪烁，蜂鸣器发出间歇提示音；超过危险阈值（如甲醛＞0.15mg/m³），红色LED常亮，蜂鸣器持续报警。同时，WiFi模块将超标信息推送至手机APP（支持微信通知），显示具体参数值与建议（如“甲醛超标，建议通风”）。用户可通过APP远程查看实时数据，无需现场操作即可掌握环境状态。

（三）数据记录与趋势分析

系统通过SD卡存储历史数据（格式为“时间+温湿度+PM2.5+甲醛+光照”），可保存3个月记录。用户通过APP查看7天趋势曲线（如PM2.5在早晨7-9点偏高），辅助分析污染规律（如烹饪导致PM2.5上升）。支持手动导出数据至Excel，便于深入分析，尤其适合新装修房屋监测甲醛释放趋势，为入住时间提供科学依据。

四、系统应用效果与展望

（一）应用效果

在新装修房屋与办公场景测试1个月，系统表现如下：各参数检测误差均在传感器标称范围内（如甲醛检测误差≤0.01mg/m³）；预警响应时间≤1秒，成功捕捉3次烹饪导致的PM2.5超标与2次家具释放的甲醛短期升高；WiFi数据传输稳定，APP查看延迟≤3秒。用户反馈，系统数据全面，预警及时，趋势分析功能帮助明确污染源头（如某品牌家具导致甲醛夜间升高），使用体验优于单一功能设备。

（二）未来展望

系统可从三方面优化：一是引入AI算法，通过历史数据预测环境变化（如“明日开窗时间不足，PM2.5可能超标”）；二是增加二氧化碳传感器，监测室内空气流通性；三是联动智能家居（如甲醛超标时自动打开新风系统），形成闭环控制。通过迭代，系统将从“被动监测”向“主动调控”演进，成为室内健康环境的智能管家。





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