基于单片机的家居环境监测系统的研究与设计

第一章 绪论

传统家居环境监测多依赖单一功能的便携式检测仪，存在监测维度少、数据无法实时汇总、缺乏预警机制、需人工查看数据等问题，难以满足现代家庭对空气质量、温湿度、安全防护等全维度环境管控的需求。STM32单片机凭借低功耗、多传感器集成能力强、外设拓展灵活的特性，成为家居环境监测系统的核心控制单元。本研究设计基于STM32的家居环境监测系统，核心目标是实现温湿度、甲醛、PM2.5、CO₂、光照强度等多维度环境参数的实时监测，以及异常参数声光预警、数据本地存储与远程查看功能；系统需具备便携化、低功耗、易部署特性，适配市电+锂电池双供电，解决传统监测方式碎片化、预警不及时的痛点，打造一体化的家居环境智能监测终端，符合智能家居健康化、精细化发展趋势。

第二章 系统设计原理与核心架构

本系统核心架构围绕“多维度感知-数据处理-预警反馈-数据交互”四大模块构建，基于STM32L431RCT6低功耗单片机实现全流程管控。多维度感知模块通过各类传感器采集温湿度、甲醛、PM2.5等环境参数，将物理量转换为电信号传输至STM32；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，与预设健康阈值对比判定环境状态；预警反馈模块在参数超标时触发声光报警，提醒用户及时干预；数据交互模块支持本地显示屏数据展示与蓝牙/Wi-Fi远程数据传输。核心原理为“感知-分析-预警-交互”闭环：STM32完成多维度环境数据的实时采集与分析，异常时及时预警，同时支持本地与远程数据查看，兼顾监测的全面性与便捷性。

第三章 系统设计与实现

系统硬件以STM32L431RCT6为核心，采用模块化设计：感知单元集成DHT11温湿度传感器（测温±0.5℃、测湿±5%RH）、ZE08-CH2O甲醛传感器（检测范围0-1mg/m³）、SDS011 PM2.5传感器、MH-Z19 CO₂传感器（检测范围0-5000ppm），覆盖家居核心环境参数；数据处理单元依托STM32的12位ADC完成模拟信号采集，内置算法完成数据滤波与校准；存储单元采用W25Q64 FLASH芯片，可存储近30天的环境数据，掉电不丢失；预警交互单元包含1.3寸OLED显示屏（实时显示所有监测参数、环境等级）、蜂鸣器+三色LED灯（绿色正常、黄色预警、红色超标）；通信单元集成ESP8266 Wi-Fi模块，支持将数据上传至手机APP；供电单元采用5V USB市电供电+3.7V锂电池备用供电，满电可连续监测8小时。

软件层面基于STM32 HAL库开发，核心逻辑包括：首先初始化传感器、存储、通信模块参数，预设健康阈值（如甲醛≤0.08mg/m³、PM2.5≤35μg/m³、CO₂≤1000ppm）；以5秒为间隔循环采集各传感器数据，通过滑动平均滤波消除数据波动，提升准确性；将实时数据与阈值对比，判定环境等级（优/良/差），同步显示在OLED屏；当任意参数超标时，触发对应颜色LED灯与蜂鸣器报警（红色持续报警、黄色间歇报警）；每小时将数据写入FLASH存储，支持通过按键查询历史数据；Wi-Fi模块将实时数据按JSON格式上传至手机APP，用户可远程查看数据趋势与异常提醒。系统优化策略：非采集时段将STM32切换至休眠模式，待机功耗降至50μA以下，延长锂电池续航。

第四章 系统测试与总结展望

选取家庭客厅、卧室等场景开展测试，结果显示：温湿度监测误差≤±0.3℃/±2%RH，甲醛、PM2.5检测误差≤±0.01mg/m³/±5μg/m³，满足家居监测精度要求；参数超标时预警响应时间≤1秒，声光提醒辨识度高；历史数据存储与查询功能正常，Wi-Fi数据上传成功率≥99%；市电供电时系统功耗≤1W，锂电池满电续航达8.5小时。误差分析表明，少量甲醛检测偏差源于传感器预热不足，可通过增加预热延时逻辑优化。

综上，本系统基于STM32实现了家居环境多维度监测与异常预警，解决了传统监测方式碎片化的痛点。后续优化方向包括：引入AI算法，结合历史数据预判环境参数变化趋势，提前预警；增加自动联动控制功能，如PM2.5超标时自动控制新风系统开启；优化传感器布局，实现全屋多点位监测与数据汇总，进一步提升家居环境监测的智能化与实用性，适配现代家庭健康居住需求。




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