基于STM32的环境监测报警系统设计与实现

STM32F103环境监测报警系统是一个集成了多种传感器技术、人机交互机制与远程通信能力的综合性嵌入式应用系统，其核心基于高性能ARM Cortex-M3内核的微控制器STM32F103C8T6构建。该系统不仅实现了对环境中关键参数如温度、湿度及二氧化碳（CO₂）浓度的实时采集与显示，还具备多层次的报警响应机制，包括本地声光报警和远程短信/电话通知功能，广泛适用于家庭安防、工业现场监控、智慧农业以及公共场所空气质量监管等场景。 首先，从硬件架构来看，本系统以STM32F103C8T6为核心控制单元，该芯片属于意法半导体推出的主流增强型32位MCU系列，主频可达72MHz，内置64KB闪存和20KB SRAM，支持丰富的外设接口，如USART串行通信、I²C、SPI、GPIO等，为多模块协同工作提供了坚实基础。系统通过DHT11数字温湿度传感器实现对环境温湿度的检测。DHT11采用单总线协议通信，成本低、功耗小，可输出精度为±1℃（温度）和±5%RH（湿度）的数据，在常温常湿环境下满足一般性监测需求。数据通过GPIO引脚按时序读取，并经校验后送至主控处理。 在气体检测方面，系统采用串口输出型CO₂传感器（如MH-Z19B或类似型号），通过UART与STM32的USART接口连接，实现高精度CO₂浓度测量，量程通常覆盖400–5000ppm，分辨率为1ppm。主程序通过轮询方式接收传感器发送的帧数据包，解析其中的有效CO₂值，并结合预设阈值进行判断是否触发报警。用户可通过4×4矩阵键盘动态设置报警阈值，范围设定在0–5000ppm之间，满足不同使用场景下的灵活配置需求。例如，在办公室或教室中可将阈值设为1000ppm，而在工业区域则可根据标准适当提高上限。 人机交互部分由OLED显示屏（常用SSD1306驱动，I²C接口）与4×4机械式矩阵键盘组成。OLED具有自发光、高对比度、响应快等特点，适合显示温湿度数值、当前CO₂浓度、报警阈值及状态提示信息，界面设计简洁直观，支持多页面切换与菜单导航。矩阵键盘包含数字键0–9及功能键A/B/C，用于输入11位手机号码并完成报警联系人设置。按键扫描采用逐行输出低电平、列线检测输入的方式，配合软件消抖算法确保操作稳定性。功能键B/C分别用于增加或减少CO₂报警阈值，每按一次变化100ppm，实现“动态调整”特性，极大提升了系统的实用性与用户体验。 当检测到CO₂浓度超过设定阈值时，系统立即启动双重报警机制：一方面驱动蜂鸣器发出持续鸣响，同时点亮LED警示灯，形成声光报警；另一方面调用GSM通信模块（如SIM800L/SIM900A），通过AT指令集向预存手机号发送中文警告短信：“Warning Warning!!! The smoke concentration exceeds the standard!!!”。尽管此处描述中提及“smoke”，实际应为“CO₂”表述错误，但不影响其实现逻辑——即利用GSM网络实现远程告警。短信内容虽为英文开头，但包含中文字符，因此需确保GSM模块工作于UCS2编码模式，并正确配置短信中心号码和服务运营商参数，方可成功发送。 整个系统运行于主循环结构中，集成传感器数据采集、OLED刷新、键盘扫描与报警判断四大任务。为避免阻塞式操作影响实时性，关键延时均采用非阻塞计时（如SysTick定时器中断或HAL_Delay配合状态机），保证各模块协调运行。此外，系统还需处理异常情况，如传感器无响应、GSM信号弱、键盘误触等，通过超时重试、默认值加载和用户提示等方式增强鲁棒性。 综上所述，该环境监测报警系统充分体现了嵌入式系统设计中的模块化思想与软硬件协同优化策略，融合了传感技术、微控制器编程、人机接口设计与无线通信技术，构成一个完整的“感知—分析—决策—反馈”闭环体系，具备良好的扩展性与实用价值，是物联网终端设备开发的典型范例。