基于NB-IoT与STM32F103C8T6的智能家居环境监测系统设计技术说明本文围绕NB-IoT智能家居环境监测系统进行嵌入式开发复盘重点整理STM32F103C8T6主控、温湿度与PM2.5和二氧化碳传感器、OLED显示、环境调节、NB-IoT通信及APP远程监控等技术要点。内容用于物联网终端、传感器采集和远程环境监测方法交流不涉及产品推广或商业宣传。摘 要:近年来人们对家居环境质量重视程度日益加深全面、实时、准确地监测家居环境的需求变得愈发迫切。因此深入探索家居智能环境监测系统的可行性将为家居版智能环境监测系统的未来发展奠定坚实的基础。本论文介绍了一种基于STM32F103C8T6芯片的智能家居环境监测系统该系统利用传感器采集家居环境中的温湿度、二氧化碳浓度、PM2.5浓度及光照强度数据利用NB-IoT通信将数据输出到上机位用户可随时在APP端监控家居环境状况并可选择自动或手动方式进行调节。经过对系统软硬件的优化家居环境监测系统实现了稳定运行能够实时且精确地采集并上传家居环境相关数据为用户提供了远程监测与调节家居环境的便利确保了家居环境监测的可靠性。关键词:环境监测NB-IoT传感器实时监测远程监控Design and realization of intelligent monitoring system based on NB-IoT and microcontrollerAuthor: Huang QiuyingInstructor: Huang RanAbstract:In recent years, people have been increasingly deepening the degree of home, and the demand for comprehensive, real-time and accurate monitoring of the home has become more and more urgent. Therefore, in-depth exploration of the feasibility of the home intelligent monitoring system will lay a solid foundation for the future of the home version of the intelligent monitoring system. This thesis introduces a smart home monitoring system based on STM32F103C8T6 chip, which utilizes sensors to collect temperature and humidity, carbon dioxide concentration, PM2.5 concentration, and light intensity data in the home; outputs the data to the uploading location using NB-IoT communication; and allows users to monitor the home conditions at any time on the APP side, and choose to make adjustments automatically or manually. After the optimization of the system hardware and software, the home monitoring system achieves stable operation, and is able to collect and upload home-related data in real time and accurately, providing users with the convenience of remote monitoring and adjusting their homes, and ensuring the reliability of home monitoring.Translated with DeepL.com (free version)Keywords:monitoring; NB-IoT; sensor; real-time monitoring; remote monitoring第一章 绪论研究背景及意义随着人们健康意识的提升和智能家居的普及家居环境监测系统越来越受到欢迎不但能为住户提供舒适的家居环境而且能有效预防PM2.5浓度异常所带来的风险等。如今智能家居系统已经从单一的设备控制扩展到环境监测和管理家居环境监测系统能够实时地检测室内的温度、湿度、二氧化碳水平、PM2.5浓度以及光照强度。然而传统的家居环境监测系统存在功耗高、通信距离有限、网络不稳定等问题[1]限制了其在智能家居系统中的应用。基于NB-IoT与单片机的智能环境监测系统的设计与实现已成为近年来物联网技术迅猛发展背景下一个备受关注的研究领域。NB-IoT技术作为一种新兴的窄带物联网通信技术具有低功耗、广覆盖、大连接等优点[2]非常适用于智能家居环境监测系统。将NB-IoT技术应用到环境监测系统可以有效提高系统的稳定性和可靠性实现对家居环境的实时监测和智能控制。借助先进技术环境监测系统得到更好的提升变得越来越智能能够更好地适应现代环境管理的需求还可以减少成本提高资源利用效率。此外NB-IoT技术正在以迅猛的速度发展相比3G网络、4G网络、GPRS、Wifi技术、LoRa技术、Zigbee技术等[3]它覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗低、架构优的特点更为。因此基于NB-IoT技术的环境监测系统也应运而生从城市空气质量监测、农田环境信息监测、室内环境质量监控到楼宇环境管理乃至输电线路环境气象监测智能环境监测系统都能发挥重要作用。这些系统不仅提高了环境监测的自动化和智能化水平也为人们提供了更加舒适、安全的生活和工作环境。环境监测系统在对环境质量进行监测、分析、治理和保护方面扮演着至关重要的角色。采用NB-IoT技术的智能家居环境监测系统有效克服了传统监测方法的局限性如监测手段单一、布线过程复杂、数据传输能力不足以及操作耗时费力等问题。还可以促进NB-IoT和单片机在环境监测领域的应用探索新的途径和方法推动物联网技术与环境监测技术的融合与发展。国内外发展现状1.2.1 国内发展现状国内智能家居环境监测系统的发展现状表明这一领域正处于快速发展阶段技术不断进步和创新。物联网技术在家居环境监测系统中的应用已经成为主流不仅提高了系统的智能化水平还增强了监测的实时性和准确性。近几年来国内传感器技术不断进步使得室内环境监测系统能够更加精准地检测各种污染物如甲醛、苯、TVOC、PM2.5、CO₂等并且检测精度和灵敏度不断提高。随着我国国家政策积极推动环境监测行业的技术发展和设备国产化如《“十四五”生态环境领域科技创新专项规划》等政策文件为行业发展提供了良好的政策环境。国内研究不仅关注理论和系统设计还注重系统的实际应用和推广。例如有研究基于NB-IoT的高原日光温室环境监测系统针对高原地区的特殊环境进行了优化提高了系统的适应性和实用性[4]。国内家居环境监测电器品牌有很多比如SHARP夏普、小米科技旗下品牌smartmi智米、绿之源等。1.2.2 国外发展现状国外在智能家居环境监测技术方面较为成熟例如美国的X-10系统和德国的EIB系统等这些系统功能强大但由于价格昂贵和安装复杂在国内应用较少。国外家居环境监测系统已经较为普及许多产品和技术已经商业化并广泛应用于家庭、学校、医院等室内环境。国外研究则更加注重于技术的创新和优化如在科技创新采用STM32L系列单片机等技术设计并实现了一种新型的环境参数监测系统应用实践通过优化软硬件提高了环境监测系统的性能和稳定性实现了远程实时监测。全球室内环境监测市场竞争激烈主要厂商包括Agilent、Danaher、ThermoFisher、Shimadzu和PerkinElmer等这些厂商在全球市场占有较大份额。第二章 系统总体设计方案2.1 系统设计要求设计基于NB-IoT技术的智能家居环境监测系统主要模块有STM32单片机、多种传感器温湿度、二氧化碳、PM2.5、光照、OLED显示、蜂鸣器报警、电机散热、加湿器、光照调节、电源和NB-IoT通信模块。该系统以STM32单片机为核心通过传感器采集家居环境参数等并通过NB-IoT无线通信模块将采集到的数据上传到上位机实现自动调节或用户远程控制功能。设计任务如下1基于STM32微控制器制定系统总体设计方案。2设计并构建系统所需的硬件电路。3完成系统的软件程序设计任务。4实现环境数据的采集并上传至APP端。5实现在APP端及OLED显示屏实时展示环境数据。6通过APP实现远程监控与自动调节。2.2 方案论证与选择2.2.1 主控芯片的选择方案一选用STM32F103C8T6。STM32F103C8T6采用的是ARM Cortex-M3处理器这是一个32位的RISC架构能够提供高效的处理能力和低功耗操作。该芯片配备了高达192KB的闪存和32KB的SRAM这为运行复杂的算法和存储大量数据提供了足够的空间[5]。这款芯片提供了多种外设接口包括USART、SPI、I2C等方便连接各种传感器和通信模块如OLED显示屏和NB-IoT模块。方案二选用STC89C52。STC89C52单片机的主要结构包括一个ARM7TDMI处理器核心该核心能够处理复杂的算法和数据[6]。STC89C52是基于8位的8051架构具有4个8位通用I/O口共有3个16位定时器/计数器4个外部中断。综上所述选择STM32F103C8T6作为核心部件能够更好地满足智能环境监测系统的功能需求更加高效地实现本设计各项要求。2.2.2 显示模块的选择方案一选用LCD12864。LCD12864电路结构简单无需额外的负压和片选信号程序设计简洁有效优化了软件。然而LCD12864的液晶层无法完全密封而且背光层易出现漏光问题同时显示色彩较为单一。方案二选用OLED。OLED作为一种新型的显示技术以其出色的对比度、视角宽、响应速度快等特点成为理想的显示选择。OLED可以清晰地展示各种环境参数的实时数据为用户提供直观的视觉体验。综上所述OLED在色彩表现、视角、响应时间和能效方面优于LCD故选择OLED显示屏更能满足本设计的需求。2.2.3 温湿度模块的选择方案一选择DHT11。DH11是一款低成本的数字温湿度传感器它通过单线制串行接口进行通信具有相对湿度和温度的测量功能并且每个传感器都经过了精确的校准。该传感器集成了一个电阻式湿度感应元件和一个负温度系数NTC温度测量元件并与一款高性能微控制器相连从而确保了设备在运行过程中的可靠性和稳定性。方案二选择SHT11。SHT11是一款具备高精度、快速响应和出色抗干扰能力的数字式温湿度传感器。然而它的成本相对较高。选择DHT11是基于成本效益、足够的测量精度以及较低的功耗需求。2.2.4 PM2.5模块的选择PM2.5传感器模块是一种专门设计用于检测大气中悬浮颗粒物浓度的仪器传感器模块采用光学技术能够精确地检测到空气中PM2.5的浓度变化可以实现对环境质量的实时监控。在本设计中选用PM2.5传感器不仅可以实现对环境质量的实时、准确监测还能提升系统的数据处理和分析能力同时具有较好的成本效益比对于促进环境保护和公共健康具有重要意义。2.2.5 无线传输模块的选择方案一NB-IoT。NB-IoT是一种典型的物联网无线通信技术因为其本身低功耗和覆盖范围广的特点被广泛应用于物联网的各个领域。NB-IoT技术是建立在移动蜂窝网络基础之上的其使用的频段通常为180 kHz。该技术能够无缝集成于UMTS、GSM、LTE等现有网络架构中实现便捷部署并且具有较低的成本效益[7]。NB-IoT技术因其设计用于低功耗广域网LPWAN具有更低的功耗适合于电池供电的长期运行设备。方案二WiFi。WiFi是一种无线局域网WLAN技术允许电子设备通过无线信号连接到互联网或彼此通信[8]。Wi-Fi技术运作于2.4 GHz或5 GHz的无线频段其中5 GHz频段不仅提供更高速的数据传输还减少了潜在的干扰。Wi-Fi常用于家庭、办公室、公共热点区域等因此设备通常功耗较高适合于需要高速数据传输且可接入电源的应用场景。综上所述选择NB-IoT更能满足本设计要求。2.3 系统总体设计方案设计一款基于NB-IoT与单片机的智能家居环境监测系统该系统集成了NB-IoT BC26网络模块、传感器模块、OLED显示模块、调节模块、电源模块以及上机位。以STM32单片机作为核心通过传感器采集家居环境的各项参数并利用NB-IoT无线通信将数据上传至云服务器从而实现自动调节或用户远程控制的功能。总体设计框图如图2-1所示。系统的工作流程具体如下1传感器模块对温度、湿度、二氧化碳浓度、PM2.5浓度及光照强度进行实时监测2利用NB-IoT无线通信将采集到的数据发送至上位机3在APP端显示界面和OLED显示屏幕上实时呈现环境数据4若监测到的数据超出阈值范围则系统启动蜂鸣器警报并启动调节系统以维持环境平衡。5APP端远程控制调节。图2-1系统总体设计框图第三章 硬件系统设计3.1 硬件设计方案基于NB-IoT与单片机的智能家居环境监测系统的硬件电路包括STM32单片机最小系统、OLED显示电路、电源电路、传感器采集电路温湿度、二氧化碳浓度、PM2.5浓度和光照强度、NB-IoT通信电路、蜂鸣报警电路、加湿器电路、电机风扇电路以及光照调节电路。硬件系统框图如图3-1所示。图3-1硬件系统框图3.2 最小单片机系统3.2.1 STM32F103C8T6单片机STM32F103C8T6微控制器集成了ARM Cortex-M3内核拥有72 MHz的处理速度。该微控制器提供了高达192 KB的闪存和16 KB的SRAM展现了卓越的计算性能。其性能稳定可靠能够满足系统实时性需求特别适合于处理和控制温湿度数据[9]。STM32F103C8T6提供了多种类型的I/O端口包括通用输入输出端口、模拟输入端口、定时器接口等。单片机端口可以通过软件编程来实现不同的功能如数据采集、信号处理、通信接口等。STM32F103C8T6单片机首先通过连接到系统中的各种传感器如温湿度传感器、二氧化碳传感器等来采集环境数据采集到的数据被单片机读取并进行初步处理然后通过内置的NB-IoT模块将数据发送到云平台或用户指定的接收设备[10]。此过程STM32F103C8T6单片机需要执行包括数据采集、数据处理、数据打包以及通过NB-IoT网络发送数据等一系列任务。STM32F103C8T6单片机内部结构如图3-2所示。图3-2单片机最小系统图3.2.2 晶振电路晶振电路的主要功能是产生稳定的时钟信号为数字电路提供同步的脉冲源。晶体振荡器通过石英晶体的压电效应产生振动形成电路的振荡频率。单片机的外围器件需要时钟信号来运行其频率决定了单片机的运行速度。本设计将内置一个X8型号的8MHz高速晶体振荡器并配备两个20皮法拉德的电容器。同时为了外部时钟供应将采用一个X7型号的32.786KHz外部晶振以及两个12pF的电容器。晶振电路如图3-3所示。图3-3 晶振电路3.2.3 复位电路复位电路的主要作用是确保系统稳定运行在系统启动时将微控制器重置到一个已知状态以保证程序能够从正确的地址开始执行。此外当系统检测到异常情况或需要恢复到初始状态时复位电路也能提供必要的功能当按下硬件复位按钮时按键闭合C6电容器开始充电。随着NRST引脚电压的升高单片机的电路状态发生改变其内部时序重置至初始状态。单片机复位电路如图3-4所示。图3-4复位电路3.3 传感器模块3.3.1 温湿度检测模块温湿度检测模块是智能环境监测系统中的一个关键组成部分用于实时监测和记录环境中的温湿度。本设计采用DHT11温湿度传感器DHT11内部自含温湿度校准系数在采集温湿度数据的过程中会自动进行校准测试结果准确度极高[11]。温湿度模块由两种主要组件构成一种是具备湿度感应特性的电阻式元件另一种是NTC型热敏电阻。温湿度模块能够对环境的温度与湿度进行实时监控并为系统提供持续的环境数据。DHT11传感器是单线串行接口和四针引脚集成度高且功耗低。在信号传输距离为0-20米的范围内其传输极为稳定非常适合长期进行室内外温湿度的监测工作[12]。通过与单片机和NB-IoT模块的集成温湿度检测模块可以成为实现智能环境控制和远程监控的关键工具。温湿度检测电路如图3-5所示。图3-5温湿度检测电路3.3.2 PM2.5检测模块PM2.5传感器是用于检测大气中PM2.5细颗粒物浓度的设备能够输出数字信号可以与微控制器或数据处理单元的连接。此外该模块具备实时监测功能能够持续追踪空气中的PM2.5浓度水平并向用户提供即时的环境质量信息反馈。PM2.5检测模块如图3-6所示。图3-6 PM2.5检测电路3.3.3 二氧化碳监测模块SGP30传感器能检测室内空气中的二氧化碳浓度它通过总线与微控制器进行通信具有4个引脚分别是电源正VCC、电源地GND、串行地址和数据输入/输出以及串行时钟输入。二氧化碳采集电路如图3-7所示。图3-7 二氧化碳监测电路3.3.4 光照采集电路模块光照采集电路模块的主要作用是测量和记录环境中的光照强度。利用光敏传感器对环境中的光照数据进行采集并将采集到的数据通过NB-IoT无线通信模块传输至云平台以便进行深入的分析与监控。该电路模块由一个1K电阻、一个光敏传感器、一个发光二极管和一个100nF电容组成光照采集电路如图3-8所示。图3-8 光照采集电路3.4 环境调节模块3.4.1 蜂鸣器报警模块低电平驱动蜂鸣器意味着当控制信号为低电平时蜂鸣器会发出声音。该设备能够在5毫安的电流下实现持续稳定的运行即便是在大功率蜂鸣器的情况下其电流消耗也不会超过30毫安。此外尽管其体积小巧却能发出大音量便于安装使用。因其内部具有无电磁线圈和动圈因此不必考虑绝缘和漏电的问题非常安全特别适合本设计使用[13]。由一个1K电阻、一个三极管和一个低电平驱动蜂鸣器组成报警电路如图3-9所示。图3-9 蜂鸣器报警电路3.4.2 电机散热模块电机散热模块通常包括电机、风扇。这些组件共同工作以提高电机的散热效率确保电机在长时间运行或高负载下能够稳定工作。当环境温度超过阈值时电机散热模块将会启动来帮助环境散热降低温度。电机风扇模块电路由两个4.7K电阻、一个二极管、一个三极管和一个直流电机小风扇如图3-10所示。图3-10 电机散热电路3.4.3 加湿器模块加湿器模块利用雾化片雾化片也称为超声波雾化片或振动雾化片是加湿器中的一种常见部件将水转化为极细的雾状颗粒以增加空气的湿度。当环境湿度低于阈值时将启动加湿器调节环境湿度。加湿器电路两个4.7K电阻、一个二极管、一个三极管、一个电机和雾化片如图3-11所示。图3-11加湿器电路3.4.4 光照调节模块光照调节模块使用LED灯作为光源LED灯具有很多优势包括节能、长寿命、快速响应和可调光性。可以通过NB-IoT模块实现远程控制LED确保光照强度在阈值范围内。光照调节电路由一个1K电阻和一个发光二极管组成如图3-12所示。图3-12光照调节电路3.5 无线传输模块NB-IoT BC26模块是一种基于窄带物联网NB-IoT技术的通信模块其具有超低功耗、安全性强、稳定可靠、低成本的优势使用MQTT协议与云端互传数据[14]。NB-IoT技术是3GPP为支持低功耗广域网LPWAN而引入的一种蜂窝式无线接入技术旨在满足大规模机器类型通信mMTC的需求。BC26模块利用了NB-IoT的核心优势低功耗、低成本和低数据速率传输使其非常适合于需要长期运行在恶劣环境下的设备如智能水表、电表、气表等。此外该模块的运作流程涉及单片机通过串行端口向模块发送AT指令模块在接收到指令后与云平台进行数据交换从而实现数据的远程监控与管理。本设计将NB-IoT BC26模块集成到智能环境监测系统中可以实现对环境参数的实时监测和远程管理提高系统的智能化和自动化水平。NB-IoT BC26模块如图3-13所示。图3-13 NB-IoT模块3.6 OLED显示模块基于NB-IoT与单片机的智能家居环境监测系统的显示模块采用0.96寸的OLED屏实时显示采集到的环境温湿度、二氧化碳浓度、PM2.5浓度和光照强度数值。OLED显示电路如图3-14所示。图3-14 OLED显示电路3.7 电源稳压模块电源稳压模块的功能是将输入电源的电压转换并稳定为特定的输出电压值确保单片机系统能够得到恒定的电压供应。该模块电路具有稳定电压功能、过载保护功能、短路保护功能和过热保护功能。在本设计中电源稳压模块是不可或缺的组件它为系统提供了一个稳定、可靠和高效的电源环境保障了整个系统的正常运行和长期稳定性。该电源稳压电路由一个输出电压为3.3V的正向低压降稳压器、两个10uF电容和两个100nF电容构成如图3-15所示。图3-15电源稳压电路3.8 电源指示电路电源指示电路通过LED显示系统是否接通电源以及是否处于工作状态。当系统无法正常启动或运行时电源指示灯的状态可以帮助用户快速判断问题是否与电源供应有关。在进行用户交互时电源指示电路可以提供即时的视觉反馈让用户知道他们的操作如开关机已被系统接受和执行。在进行远程监控时电源指示电路可以作为系统健康状况的一个简单指示帮助远程用户了解设备是否正常上电提供更友好的用户体验。电源指示电路如图3-16所示。图3-16电源指示电路系统软件设计软件总体设计方案是对软件系统进行规划和设计包括系统的整体结构、功能模块、数据流程和交互界面设计等方面。智能环境监测系统利用NB-IoT技术实现远程环境数据的检测和管理该系统包含智能环境监测设备和上位机两个主要部分。软件设计上开发嵌入式固件实现与NB-IoT模组的通信协议、传感器数据采集和处理、本地存储和数据传输等功能。上位机方面实现数据接收与存储、数据处理与分析、可视化界面。在系统集成与测试阶段确保数据传输和功能交互的稳定性与正确性并进行系统级测试以确保性能、可靠性和安全性。该系统为用户提供便捷、智能的环境监测与调节服务。设计中的部分程序在附录中。4.1 软件设计方案软件程序初始化后传感器模块采集温度、湿度、二氧化碳浓度、PM2.5浓度和光照强度数据。传感器模块通过数据传输引脚将数据传输至STM32单片机单片机接收到数据后通过NB-IoT通信将数据传送至APP端并在OLED显示屏展示。采集到的数据将与设定阈值进行对比当监测到的数据超出阈值范围系统将自动启动调节功能或用户通过APP端实现远程控制进行调节。用户可在APP端随时查看家居环境状况鉴于环境质量持续变动主控界面能够实时展示相关数据。本系统配置的传感器将每分钟采集一次数据并执行一次数据传输与存储更新。本设计软件流程如下图4-1所示。图4-1 设计软件流程图4.2 模块程序设计4.2.1 通信模块程序设计NB-IoT通信模块负责与NB-IoT模块的通信发送和接收数据通过STM32单片机的串口向模块发送开关机控制指令。当工作启动时NB-IoT模块会接收开机脉冲信号通过串口接收来自单片机的数据传输。接收到数据后NB-IoT模块负责将这些数据上传至上位机等待并接收来自上位机的指令通过串口将指令转发给单片机。完成指令的传递后NB-IoT模块接收关机脉冲信号随即结束其工作流程。NB-IoT网络模块的工作流程如图4-2所示。图4-2 通信模块程序流程图4.2.2 报警模块程序设计报警电路模块的工作流程如图4-3中所示程序启动时会初始化传感器检测环境数据后发送给单片机处理。单片机分析数据并进行阈值判断若数据超过阈值将触发蜂鸣报警器随即启动调节模块。若采集到的环境参数中没有超过阈值则报警系统将不启动结束本次程序。在整个过程中传感器始终保持运行状态不受报警系统启动或关闭的影响。报警模块程序流程如图4-3所示。图4-3 报警模块程序流程图4.2.3 温湿度采集与调节程序设计系统首先进行初始化DHT11传感器采集环境温湿度数据将数据传送给单片机处理后通过OLED屏显示当前环境温湿度。若检测的到温湿度超过阈值范围则系统启动蜂鸣器报警随即进行温湿度调节若采集到的温湿度未超过阈值范围则继续循环该程序。温湿度程序流程图如图4-4所示。图4-4 温湿度采集程序流程图4.2.4 二氧化碳浓度采集程序设计在进行二氧化碳浓度的检测过程中首先进行系统初始化SGP30传感器采集家居环境中的二氧化碳浓度随后将采集到的数据传输至单片机进行处理。处理后的数据将通过OLED液晶显示屏或APP界面直观地呈现给用户。在数据监控过程中系统将持续监测当前的二氧化碳浓度并与设定的阈值进行比较当检测到的二氧化碳浓度未超过阈值则系统将继续循环执行上述测量和显示过程确保环境持续处于稳定状态。反之检测到二氧化碳浓度超过设定阈值系统将立即启动报警机制并通过控制风扇等设备调节室内二氧化碳浓度。二氧化碳浓度采集程序流程图如图4-5所示。图4-5二氧化碳浓度采集程序流程图4.2.5 PM2.5浓度采集程序设计在PM2.5浓度检测的过程中首先要对系统进行初始化再通过PM2.5传感器对当前环境的PM2.5浓度进行采集将采集所得数据传送到单片机上进行数据处理然后通过OLED液晶显示屏或APP采集界面显示当前PM2.5浓度若PM2.5未超过设定阈值则循环上一过程。若浓度超过设定阈值则启动报警系统开启风扇调节PM2.5浓度。PM2.5采集程序流程图如图4-6所示。图4-6 PM2.5浓度采集程序流程图4.2.6 光照强度采集与调节程序设计在光照强度检测的过程中首先要对系统进行初始化。之后通过光照传感器对当前的环境光照进行采集将所得信号传送到单片机上进行数据处理然后通过OLED液晶显示屏或APP采集界面显示当前光照强度若光照强度在阈值范围则循环上一过程。若光照强度超出阈值范围则自动开灯调节光照强度。光照强度采集程序流程图如图4-7所示。图4-7 光照强度采集程序流程图4.3 APP端使用电脑模拟器架构手机智能环境监测系统APP端在电脑上下载并安装雷电模拟器9软件启动雷电模拟器9创建一个新的模拟器实例选择适合的设备型号和Android版本。准备APP开发环境设计用户界面包括数据展示、设备控制等界面。使用MQTT协议与平台建立连接实现数据的上报和命令的接收。编写智能环境监测系统APP的业务逻辑包括用户交互、分析数据、数据展示、设备控制等。运行APP测试其功能是否正常包括能否与硬件连接、数据阈值设置、APP上实时数据与OLED显示是否一致、设备控制是否灵敏准确、历史数据查看等。打开智能环境监测系统APP首先是用户登录界面如图4-8所示。图4-8 登录界面APP首页界面会显示APP与硬件的连接情况首页面有阈值配置、实时数据、控制中心和历史数据功能如图4-9所示。图4-9 首页界面在首页界面点击选择阈值配置即可设置家居环境温度、湿度、二氧化碳、光照和PM2.5的最小值与最大值如图4-10所示。图4-10 阈值配置在首页界面点击选择实时数据即可查看当前家居环境温度、湿度、二氧化碳、光照和PM2.5值如图4-11所示。图4-11 实时数据用户可在主页界面上点击以进入控制中心可以选择自动模式或手动模式。若选择自动模式当系统检测到超出阈值范围的环境数据时将自动启动调节模块进行调节若选择手动模式时可直接选择需要调节的功能如打开灯、打开风扇、打开加湿器或关闭等功能。如图4-12所示。图4-12 控制中心在首页界面点击选择历史数据即可查看之前系统采集到的各环境参数数据如图4-13所示为环境温度的历史数据。图4-13 历史数据调试与测试设计一款基于NB-IoT与单片机的智能环境监测系统在进行了方案论证之后进行了软硬件的设计调试。使用嘉立创软件进行硬件设计部分原理图附录一的绘制并根据原理图生成PCB电路附录一再印刷电路板。对系统的模块功能进行调试通过硬件调试判断电路原理图的合理性以及测试硬件元器件系统以STM32芯片作为载体使用keil 5软件进行程序编写。进入主程序时单片机接收各种传感器数据并进行处理将数据通过MQTT协议传到云平台。当全部测试修改完成后可查看实验结果。5.1 硬件调试基于NB-IoT技术与单片机的智能家居环境监测系统的硬件总体设计方案确定后使用嘉立创软件进行原理图和PCB图的绘制。原理图绘制时首先要确定元器件的型号和封装形式再进行电路连接原理图绘制完成后直接生成PCB图将所有元器件按照封装要求放置后连接进行布线。注意电源走线粗细合理选择焊盘和过孔遵循布线规则。完成各部分焊接后进行调试确保芯片和元器件正常工作直至所有模块焊接完毕。在确保所有硬件电路连接无误后给系统通电。通电时仔细观察电路是否有烧毁的迹象用手触摸芯片检查是否有异常高温随后使用万用表检测电源输出电压以及各芯片的电压水平是否正常确认一切正常后再进行软件调试。智能环境监测系统的实物如图5-1所示。图5-1 硬件实物图5.2 软件调试智能环境监测系统的软件调试是实现其功能的关键步骤。该过程遵循模块化设计原则将每个模块的功能细分为多个子程序根据需求实现温度、湿度、二氧化碳浓度、PM2.5浓度以及光照强度的采集、显示和NB-IoT传输功能并对这些参数进行调节构成了主程序、功能模块程序以及相应的头文件。若遇到编译错误则返回至程序代码中定位相应的错误信息修正完毕后继续进行编译和链接过程直至编译过程无误。在完成每个模块的程序代码编写后需检查模块间的信号传递是否正常并确保数据传输无误。经过反复的修改与调试编程代码达到了0错误、0警告的完美状态。如图5-1所示。图5-1 程序编译结果5.3 测试结果通过电源供电运行后用户可查看液晶显示屏图5-2所示或APP实时数据图5-3所示显示名称、温湿度、二氧化碳、PM2.5和光照值APP端显示数据符合当前环境实际情况说明系统能够正常工作。图5-2 液晶显示屏显示实时数据图5-3 APP界面显示实时数据为了确保各个模块在监测和调节功能方面能够正常运作对各项参数的阈值进行了细致的设定。设定的详细参数以及相应的测试结果已经在表5-1中进行了展示。在实际的测试过程中观察到以下情况当温度参数显示异常而其他参数均处于正常范围时风扇会正常启动以降低当前环境的温度当湿度参数显示异常其他参数保持正常时加湿器会正常启动以增加当前环境的湿度当二氧化碳浓度参数显示异常其他参数正常时风扇会正常启动以改善当前环境的通风状况降低二氧化碳浓度当光照强度参数显示异常其他参数正常时小灯会正常亮起以提供所需的照明。经过一系列的测试确认本系统中的各个监测与调节模块均能够满足设计要求确保环境参数的稳定与适宜。表5-1 参数设置及测试测试项目环境参数正常阈值设置异常参数测试结果温度监测与调节温度0-16℃湿度40-60%CO2浓度400-800ppm光照强度20-300%33.1℃电风扇正常启动进行降温湿度监测与调节温度18-36℃湿度70%-100%CO2浓度400-800ppm光照强度20-300%65%加湿器正常启动进行加湿CO2浓度监测与调节温度18-36℃湿度40-60%CO2浓度0-500ppm光照强度20-300%728ppm电风扇正常启动进行通风光照监测与调节温度18-36℃湿度40-60%CO2浓度400-800ppm光照强度10-100%8%小灯正常亮起进行照明总结本论文提出了一种应用于家居的智能环境监测系统实现对家居环境质量进行监测通过NB-IoT网络将环境温湿度、二氧化碳浓度、PM2.5浓度、光照强度等信息上传到云平台对环境监测进行实时监控与调节为家居环境监测提供有力保障。绪论部分概述了智能家居环境监测系统的研究背景及其重要性并回顾了该系统国内外的发展历程为未来的发展提供参考。系统总体设计方案详细说明了系统设计要求和硬件选择强调了硬件在满足功能需求时如何减少资源浪费。硬件系统设计部分解释了各模块的功能和电路组成。系统软件设计部分分析了系统特点和功能并用Keil uVision5编写程序。最后一个章节讨论了系统调试和测试目的是优化和完善系统。本系统实现了以下功能1实现对家居环境中温湿度、二氧化碳浓度、PM2.5浓度和光照强度的实时监测2利用NB-IoT技术将采集到的数据进行远程传输3使用APP端实时查看家居监测数据方便用户远程监测4数据不在阈值范围时启动报警功能5实现系统自动调节或用户远程调节功能在本次设计与实现的基于NB-IoT和单片机的智能家居环境监测系统项目中我深刻领悟了物联网技术在环境监测领域的巨大应用潜力。在设计的过程中我不仅掌握了NB-IoT通信原理及单片机编程技术还提升了实践操作技能和问题解决技巧。面对项目设计和调试阶段出现的技术挑战我学会了如何进行资料检索、问题分析并探索出创新的解决策略。参考文献陈淡宁. 基于物联网的智能家居环境监测系统的研究[D]. 吉林大学 2014.周波朱福顺.基于NB-IoT的城市环境综合监控系统的研究与设计[J].信息通信2018No.181(01):104-105..聂珲陈海峰周豪.基于NB-IoT的环境监测系统[J].实验技术与管理202037(05)肖杨严李强宋赫等.基于NB-IoT的高原日光温室环境监测系统的设计与实现[J].机电工程技术202251(03):155-160.王勋陶铭.基于STM32的车间环境质量监测系统设计与实现[J].计算机时代2022(02):36-38.DOI:10.16644/j.cnki.cn33-1094/tp.2022.02.010.汤真福潘运丹王廷华.基于STM32单片机的环境监测仪的设计与研究[J].电气自动化201941(01):85-8798..王静. 基于STC89C52单片机的智能家居监测器设计与实现方案. 2022-01-10杨璐璐. 基于STM32的家庭环境监测与控制系统设计[D].天津科技大学2019.马博经张慧玲俞丙威等. 基于STM32的高校电气实验室温湿度监测系统设计 [J]. 电子制作 2024 32 (04): 24-27. DOI:10.16589/j.cnki.cn11-3571/tn.2024.04.010.王灿.基于云平台的物联网远程监控系统研究[D].华中科技大学2015.巩银苗鲁西坤景旭宋继超. 基于单片机的仓库温湿度监控系统的设计[J]. 安阳工学院电子信息与电气工程学院 2018.陈维娜杨忠顾姗姗唐玉娟王逸之. 基于NBIoT技术的智能农业环境监测系统设计[J]. 中国农机化学报 2023.王洪生. 基于单片机与传感器的智能家居环境监测系统设计[J]. [1]硅湖职业技术学院机电工程学院 2020.谭汶易.基于NB-IoT的室内环境监测和报警系统[J].科技与创新2021(12):172-173.DOI:10.15913/j.cnki.kjycx.2021.12.072.致 谢花开花落万物道聚散离别终有时。感谢学校感谢导师感谢自己一路经历上终有学习近二十年的校园学习生涯已经接近尾声完成这篇论文就证明即将要踏入社会了。首先感谢母校给我学习的机会不仅让我收获了扎实的知识且教会了我许多道理祝母校越来越好。其次感谢我的导师在我论文中给予我很多的指导与建议在我迷茫时指引我研究的方向给我肯定且耐心指导我也在生活上教会我许多的道理希望我的导师在未来的路上前途无量职业道路一片光明最后还要感谢学院的老师们一直以来的关心和教诲让我成功完成了青春的蜕变变成了更好的自己感谢你们你们辛苦了。感谢我的同学们大学期间对我的帮助有句话叫做“山河不足重重在遇知己”感谢舍友们和好朋友对我的包容在我迷茫时开导我何其有幸一起并进。在我低谷时总能给我一些温暖的力量是她们让我从一位内向不善于表达的女孩变成了现在自信大方的我。是她们让我的大学生活变得丰富多彩是她们让我觉得宿舍也有家的温暖。那就祝我们在未来的路上都会开满鲜花奔赴热爱的人生。最后感谢我的父母在我二十余年里对我的培养以及学业上的支持。遇到困难的时候总是第一个支持鼓励我的人引导我前进的方向。父母是我学业路上最大的底气是家给予了我安全感生活的偏爱学习路上的鼓励父母把我保护得很好让我相信世界是开满花的。去读书去爬山去看世间美好的风景慢慢来慢慢相遇吧。感谢自己没有在安逸的生活中迷失了自我感谢自己遇到困难时的勇敢感谢自己愿意-步一步地进步感谢自己愿意保持自己的热爱奔赴下一个山河关关难过关关过前路漫漫且灿灿。未来无限可能想要的靠自己去争取奋勇前行不忘初心附 录附录一硬件原理图和PCB附录二硬件实物图