基于STM32的家庭互联网检测系统设计

近年来，随着电子技术的飞速发展，越来越多的家用电器进入人们的生活当中，成为日常工作生活的不可或缺的一部分；相应的各种功能的家用厨房电器也逐渐被广泛使用。厨房电器的增加给人们的生活带来便捷，但也不可避免的引发不少安全隐患。煤气中毒、火灾等安全事件时有发生，本设计系统通过多种传感器检测厨房各种参数，并把相应信息通过物联网模块远程传送给用户，避免灾难发生。

1   整体设计

基于STM32 的家庭互联网检测系统采用STM32F103CBT6[1] 单片机作为控制中心，通过多个传感器读取厨房环境中的温度湿度、二氧化碳浓度、光照强度、有毒气体浓度等参数，并将取得的数据值传递给单片机进行判断，当超过阈值后，可通过NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄带物联网）网络模块上传警告信息，用户不在家也可迅速接收警告信息，实现了远程监控的效果。其中NB-IoT 平台与阿里云服务器通信过程为平台向服务器发送数据请求，并将数据以JSON 形式封装后通过HTTP 的GET/POST 请求与云服务器进行数据交互，实现警告信息的传送。具体硬件电路示意图如下图1 所示。

图1硬件电路示意

2   硬件电路组成

2.1 STM32F103单片机

STM32F103 系列单片机是目前市场上常用的32位嵌入式处理器， 内核采用ARM Cortex™ RISC 内核， 工作频率支持72 MHZ， 支持闪存和SRAM。STM32F103CBT6 单片机标称工作电压为直流3.5 V，-40-+85 ℃的温度范围和-40-+105 ℃的扩展温度范围使得STM32F103 单片机广泛应用于工控领域，丰富的USB、I2C、SPI、CAN 总线通信方式使得STM32103F系列单片机广泛使用在医疗、工业应用、智能家电、智慧农业等领域。

2.2 NB-IoT联网模块

NB-IoT^[2]构建于窄带（200 kHz）的蜂窝网络，在优化LTE 通信协议和信令、向用户分组添加传输信息、以空闲状态发送分组的情况下，不需要业务请求即可建立直接连接来进行数据传输。NB-INT 采用了覆盖强化技术，在相同频率下比现有网络增益提高了20 dB，即覆盖能力提高了100 倍。支持大容量的接入设备，支持低延迟灵敏度，并且直接部署在诸如GSM 网络、LTE网络或UMTS 网络之类的现有通信网络中，以实现超低成本的平滑升级。模块具有低功率消耗的特征，在省电模式下功率消耗为3.6 μA，终端的待机时间更长，模块的成本低。本设计中NB-IoT 网络模块采用BC26网络模块。该模块是高性能、低功耗、多频带LTE CatNB1/Cat NB2* 无线通信模块。BC26 模块尺寸紧凑，外部接口和协议栈丰富，适用于高内聚的应用系统当中。同时可支持中国移动OneNET/Andlink、中国电信IoT/AEP、华为Ocean Connect 以及阿里云等物联网云平台，为用户的应用提供极大的便利。BC26 模块工作电压为直流2.1-3.63 V，典型值为3.3 V，正常工作温度为-35-+75 ℃，扩展工作温度：-40-+85 ℃，能够满足告警信息的远程上传工作，具体硬件电路连接示意图如图2 所示。

图2 NB-IoT硬件连接示意

2.3 电源模块

本设计中电源模块采用的是明纬RD-50 A 型50 W双组输出开关电源号的电源。RD-50 A 型开关电源交流输入电压为88-264 V，可承受300 VA 浪涌输入5 S 而无损坏，支持直流5 V 和直流12 V 双路输出，电压精度分别为±2.0% 和±7.0%，可在-25℃～ +70 ℃环境下稳定输出。同时本设计中采用可以向AM S1177-333 正向低压下降稳压器完成电压的压降，实现直流3.3 V 电压的输出，完成向STM 32F 103CBT6 宏处理器和NB 无线模块等的供电。具体降压电路图如图3 所示。

图3 降压电路

2.4 传感器

2.4.1 气体传感器

本设计中采用Sensirion 公司生产的SGP30 传感器完成厨房环境中二氧化碳浓度信息的采集。这个传感器采用了CMOnes。技术提供完整的传感器系统，同时实现单个芯片具有数字I2C 接口、温度控制的微热板和两个预处理的室内空气质量信号。SGP30 提供更详细的空气质量信息，可以实现二氧化碳（CO₂）和易失性有机化合物（VOC）含量的检测工作。

此外，本设计中还采用炜盛公司生产的MQ135 气体传感器完成厨房环境有毒气体的检测。在空气质量检查过程中，气体传感器采用的感应材料是导电率低的二氧化锡材料，在环境中存在有害气体的情况下，随着有害气体浓度的增加，二氧化锡的导电率上升，从而可以将导电率的变化转换成电信号并输出。MQ135气体传感器标称工作电压为+5 V，测试预热时间不小于48H，具体测试电路如图4 所示。

图4 MQ135测试电路

2.4.2 温湿度传感器

本设计中采用的温湿度传感器^[3]为包含校准数字信号输出的温湿度复合传感器DHT11，该传感器应用专用的数字模块收集技术和温湿度传感器技术，实现了环境温度和湿度的收集工作。DHCT11 型传感器工作电压范围为3.3-5.5 V，温度湿度测量范围分别为：湿度20~90%RH、温度0-50 ℃，测量精度为湿度±5%RH、温度±2 ℃。这个精度可以满足家庭厨房环境温度湿度的测定要求。

2.4.3 光照强度传感器

我们采用BH1750FVI 型光照传感器来实现厨房环境光照强度的采集。这个光照传感器是I2C 总线接口用的数字环境光传感器芯片。光谱响应接近人眼反应、宽范围、高分辨率（1-65535lx）、低电流切断功能、低噪音抑制，不需要外部部件、对光源的依赖性小、光学窗影响的测量结果可调、测量误差小、红外的影响小等特点，可以在高分辨率下检测大范围的光照强度，受到广大用户的青睐。本设计才用该传感器可以实现整个厨房中光照强度信息的采集和检测，具体硬件连接电路图如图5 所示。

图5 BH1750硬件电路

3   家庭互联网检测装系统置软件设计

3.1 服务器搭建

本设计中单片机接收到各类传感器检测的信息后经处理后通过NB-IoT 模块上传到阿里云服务器，上传信息采用的是MQTT 通信协议，具体的MQTT 协议的实现方式如图6 所示。

图6 MQTT实现方式

3.2 主程序设计

Stm32 单片机初始化完成后对各类传感器采集回传后的数据进行加工处理，随后与预先设置的阈值进行比较，当超过阀值后，单片机通过NB 模块将告警信息上传到阿里云，用户通过云服务接收到告警信息后，进行后续的相关工作。具体程序设计流程如图7(a,b,c) 所示。

图7-a主程序流程

图7-b主程序流程

图7-c主程序流程

3.3 NB-IoT模块程序设计

NB-IoT 模块运行的程序流程如下：BC26 模块在清空缓存后需要事先获取卡号并完成激活网络的工作，这部分工作主要在初始化程序中完成。随后BC26 模块需要连接UDP、创建TCP socket，并用这个方法与MQTT 阿里云服务器连接，完成数据的上传工作。如果MQTT Al 云服务器连接成功，将开始MQTT 主题和MQTT 主题的发送。

4   结语

本文设计的家庭互联网检测装置能够完成家庭厨房温湿度、二氧化碳浓度、光照强度及有毒气体的检测和告警信息的发送工作，实现远程监测家庭厨房环境的功能，能够有效地避免家庭人员伤害及财产的损失，具有很好的实用价值。

参考文献：

[1] STM32103F芯片手册[s].

[2] 王明浩,吴韶波.基于智慧城市建设的NB-IoT应用研究[J].物联网技术,2017,7(7):79-82.

[3] 吕卫,赵佳丽.一种低功耗高精度的NB-IoT温度采集系统设计[J].传感技术学报,2018,31(6):836-840.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2022年4月期）