基于STM32的环境参数监测系统

第一章 绪论

传统环境参数监测多采用单一参数采集或人工记录方式，存在监测维度有限、数据实时性差、缺乏智能化分析等问题，难以满足室内外场景（如办公区、园区、实验室）对多维度环境质量的精细化管控需求。STM32单片机凭借低功耗、多接口扩展、实时数据处理能力，成为环境多参数一体化监测的理想核心控制单元。本研究设计基于STM32的环境参数监测系统，核心目标包括：实现温湿度、PM2.5、CO₂浓度、甲醛浓度的精准监测（温湿度误差≤±0.5℃/±2%RH，PM2.5误差≤±10μg/m³）；具备数据本地显示、超标报警、远程上传功能；系统待机功耗≤300μA，支持市电/锂电池双供电，解决传统监测方式效率低、维度单一的痛点，实现环境质量的全天候智能化监测。

第二章 系统设计原理与核心架构

本系统核心架构围绕“多参数感知-数据处理-预警反馈-通信传输”四大模块构建，基于STM32L431RCT6低功耗单片机实现全流程管控。多参数感知模块通过温湿度传感器、PM2.5传感器、CO₂传感器、甲醛传感器采集环境核心数据；数据处理模块依托STM32的运算能力，对采集数据进行滤波校准，剔除环境干扰导致的异常值，与预设安全阈值对比判定环境质量等级；预警反馈模块根据判定结果触发声光报警，同步在显示屏更新异常参数；通信传输模块通过Wi-Fi/NB-IoT实现数据远程上传至环境管理平台。核心原理为“分布式采集-集中式处理-多端同步-异常预警”闭环：传感器将环境物理量转换为电信号，STM32完成数据解析与质量判定，同步实现本地预警与远程数据传输，保障环境监测的全面性与实时性。

第三章 系统设计与实现

系统硬件以STM32L431RCT6为核心，集成SHT30温湿度传感器（I2C接口）、SDS011 PM2.5传感器（UART接口）、MH-Z19B CO₂传感器（UART接口）、ZE08-CH₂O甲醛传感器（UART接口），覆盖核心环境参数采集；采用W25Q64 FLASH芯片（SPI接口）本地存储近30天监测数据，掉电不丢失；1.3寸OLED显示屏（I2C接口）实时显示各参数数值与环境质量等级，声光报警器（GPIO驱动）在参数超标时触发预警；ESP8266 Wi-Fi模块（USART串口）实现数据远程上传，适配有网络覆盖场景，无网络时自动切换本地存储模式；电源模块采用220V转5V开关电源为主供电，3.7V锂电池为备用电源，断电后可持续工作10小时。软件层面采用模块化编程，核心逻辑包括：初始化模块配置外设与采样频率（默认5分钟/次，支持1-60分钟可调），设定各参数安全阈值；数据采集模块读取多传感器数据，通过滑动平均滤波算法优化精度；数据处理模块按“优/良/差”划分环境质量等级，超标时标记异常参数；传输模块定时封装数据上传至平台，异常时立即上报；低功耗模块在非采集时段将单片机切换至休眠模式，降低待机能耗。

第四章 系统测试与总结展望

选取办公园区场景开展系统测试，结果显示：温湿度监测误差≤±0.3℃/±1.5%RH，PM2.5、CO₂、甲醛浓度检测准确率≥98%，数据采集与上传无延迟；环境质量等级判定精准，超标预警响应时间≤1秒；系统待机功耗280μA，备用电池续航达11小时，满足应急需求。误差分析表明，少量PM2.5检测偏差源于气流干扰，可通过加装防风罩优化。综合来看，该系统基于STM32实现了环境多参数精准监测与智能化预警，解决了传统监测方式的痛点。后续优化方向包括：增加光照、噪声参数监测，拓展监测维度；引入AI算法分析数据趋势，提前预判环境质量变化；构建多节点组网系统，实现区域化环境质量联防联控。

总结

1. 本系统以STM32L431RCT6为核心，整合多类型传感器实现温湿度、PM2.5、CO₂、甲醛的精准监测，数据精度符合环境监测标准。
2. 系统具备本地存储、远程上传、超标预警功能，双供电设计保障全天候稳定运行，适配多场景环境监测需求。
3. 系统提升了环境监测的智能化与全面性，后续可通过拓展监测维度、引入AI算法进一步提升管控能力。
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