基于STM32單片機礦井礦工作業(yè)安全監(jiān)測設(shè)計

目錄

1. 項目開發(fā)背景
2. 設(shè)計實現(xiàn)的功能
3. 項目硬件模塊組成
4. 設(shè)計思路
5. 系統(tǒng)功能總結(jié)
6. 使用的模塊技術(shù)詳情介紹
7. 總結(jié)

1. 項目開發(fā)背景

隨著礦井礦工作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性和危險性逐漸增加，礦井作業(yè)安全問題引起了社會各界的廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的礦井安全監(jiān)測主要依賴人工巡查和固定的監(jiān)測設(shè)備，存在信息滯后、反應(yīng)速度慢、危險氣體難以實時監(jiān)測等缺陷。因此，開發(fā)一種基于先進(jìn)技術(shù)的智能化礦井安全監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)測礦井環(huán)境的溫濕度、氣體濃度、人員狀態(tài)等重要參數(shù)，是確保礦井作業(yè)安全的必要舉措。

本項目設(shè)計一個基于STM32單片機的礦井作業(yè)安全監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測礦井的環(huán)境參數(shù)，并通過智能控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，如溫濕度調(diào)節(jié)、氣體排放、警報提示等，確保礦工的作業(yè)環(huán)境符合安全標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)還支持無線數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程控制，通過手機APP或云平臺實現(xiàn)對礦井環(huán)境的實時監(jiān)控與控制。

2. 設(shè)計實現(xiàn)的功能

本項目的設(shè)計目的是實現(xiàn)一套基于STM32單片機的礦井安全監(jiān)測系統(tǒng)，能夠全面、實時地監(jiān)控礦井內(nèi)部環(huán)境，保障礦工的生命安全。其主要功能包括：

• 環(huán)境溫濕度監(jiān)測 ：通過溫濕度傳感器實時采集礦井的環(huán)境溫度和濕度數(shù)據(jù)，當(dāng)溫度超過設(shè)定閾值時，系統(tǒng)啟動風(fēng)扇進(jìn)行散熱；當(dāng)濕度超標(biāo)時，系統(tǒng)啟動風(fēng)扇進(jìn)行除濕。
• 有害氣體檢測 ：使用甲烷、一氧化碳和其他有毒氣體傳感器，實時監(jiān)測礦井中有害氣體的濃度。當(dāng)有害氣體濃度達(dá)到預(yù)警值時，系統(tǒng)啟動排風(fēng)口排氣，同時啟動蜂鳴器報警，提醒工作人員進(jìn)行疏散。
• 人員監(jiān)測 ：通過紅外人體傳感器，檢測礦井內(nèi)是否有礦工或工作人員。如果檢測到礦工，系統(tǒng)將自動開啟照明設(shè)備。
• 按鍵控制功能 ：通過按鍵實現(xiàn)系統(tǒng)的智能模式與手動模式切換、溫濕度閾值的設(shè)置、散熱與排風(fēng)控制等功能。
• LED液晶顯示屏顯示信息 ：通過LCD屏幕顯示當(dāng)前溫濕度數(shù)據(jù)、氣體濃度、有害氣體預(yù)警狀態(tài)、人員狀態(tài)、控制模式等信息，方便操作人員實時查看。
• 無線傳輸與手機APP監(jiān)控 ：系統(tǒng)支持通過WIFI模塊將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至手機APP，用戶可以通過APP實時查看礦井?dāng)?shù)據(jù)、切換系統(tǒng)模式、設(shè)置溫濕度閾值、進(jìn)行遠(yuǎn)程控制等。
• WIFI云平臺控制 ：通過WIFI模塊將數(shù)據(jù)上傳至云平臺，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制，系統(tǒng)可以在全球范圍內(nèi)進(jìn)行實時監(jiān)控和控制。

3. 項目硬件模塊組成

本系統(tǒng)的硬件部分由多個模塊組成，各個模塊之間通過單片機進(jìn)行通信和控制。主要硬件模塊包括：

1. STM32單片機 ：作為系統(tǒng)的核心控制單元，負(fù)責(zé)處理傳感器數(shù)據(jù)、控制各種外設(shè)、實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與控制命令的處理。
2. 溫濕度傳感器 ：如DHT22或SHT11，用于實時監(jiān)測礦井的溫度和濕度值。
3. 氣體傳感器 ：包括MQ系列傳感器（MQ-2、MQ-7、MQ-135等）或MH-Z19等，用于監(jiān)測甲烷、一氧化碳、硫化氫等有害氣體的濃度。
4. 紅外人體傳感器 ：如HC-SR501，用于檢測礦井內(nèi)是否有人存在。
5. 蜂鳴器 ：用于發(fā)出警報信號，當(dāng)有害氣體濃度超標(biāo)時進(jìn)行報警。
6. 風(fēng)扇與排風(fēng)口控制模塊 ：根據(jù)溫濕度傳感器和氣體濃度的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，控制風(fēng)扇與排風(fēng)口的啟停。
7. LED液晶顯示屏（LCD） ：如1602或2004液晶顯示屏，顯示溫濕度、氣體濃度、人員監(jiān)測、系統(tǒng)模式等信息。
8. 按鍵模塊 ：7個按鍵，用于模式切換、閾值設(shè)置、風(fēng)扇控制、照明控制等手動操作。
9. WIFI模塊 ：如ESP8266或ESP32，負(fù)責(zé)實現(xiàn)系統(tǒng)與手機APP、云平臺的數(shù)據(jù)通信。
10. 電源管理模塊 ：為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)，通常采用DC-DC升壓或降壓模塊。
11. 繼電器模塊 ：用于控制風(fēng)扇、排風(fēng)口、照明燈等大功率設(shè)備的開關(guān)。
12. APP端與云平臺 ：基于Android或iOS開發(fā)的手機APP，通過WIFI與系統(tǒng)通信，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測。

4. 設(shè)計思路

整個系統(tǒng)設(shè)計的核心是STM32單片機，通過實時采集礦井的溫濕度、有害氣體濃度、人員狀態(tài)等信息，并根據(jù)設(shè)定的閾值進(jìn)行智能控制。系統(tǒng)分為智能模式和手動模式兩種控制方式，用戶可以根據(jù)需要選擇合適的控制模式。

4.1 數(shù)據(jù)采集與處理

系統(tǒng)通過傳感器模塊實時采集礦井內(nèi)的溫濕度、氣體濃度、人員狀態(tài)等數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)通過ADC（模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換）接口或I2C/SPI接口傳輸至STM32單片機。單片機對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷是否超過設(shè)定閾值，并執(zhí)行相應(yīng)的控制操作。

4.2 模式切換與控制

根據(jù)用戶的操作，系統(tǒng)支持智能模式與手動模式的切換。在智能模式下，系統(tǒng)自動根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)控制風(fēng)扇、排風(fēng)口、蜂鳴器等外設(shè)，以保證礦井環(huán)境處于安全狀態(tài)。在手動模式下，用戶通過按鍵手動控制風(fēng)扇、排風(fēng)口等設(shè)備的開關(guān)，并設(shè)置溫濕度閾值。

4.3 無線傳輸與遠(yuǎn)程控制

為了實現(xiàn)對礦井環(huán)境的實時監(jiān)控與控制，系統(tǒng)通過WIFI模塊與手機APP或云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。通過WIFI模塊，礦井的數(shù)據(jù)可以上傳至云平臺，用戶可隨時隨地通過手機APP查看礦井內(nèi)的實時數(shù)據(jù)，并進(jìn)行模式切換、設(shè)備控制等操作。

4.4 顯示與警報

通過LCD液晶屏實時顯示礦井內(nèi)的溫濕度、氣體濃度、人員狀態(tài)等信息，便于操作人員查看。此外，當(dāng)?shù)V井內(nèi)的溫濕度、氣體濃度等超過安全閾值時，蜂鳴器將發(fā)出警報聲，提醒工作人員進(jìn)行疏散或采取相應(yīng)的安全措施。

5. 系統(tǒng)功能總結(jié)

6. 使用的模塊技術(shù)詳情介紹

6.1 STM32單片機

STM32系列單片機采用ARM Cortex-M內(nèi)核，具有高性能、低功耗、高度集成的特點。它通過內(nèi)置的ADC、GPIO、USART、I2C等接口與各個傳感器模塊進(jìn)行連接，能夠?qū)崟r處理各類傳感器數(shù)據(jù)并進(jìn)行控制操作。

6.2 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器如DHT22具有較高的測量精度和穩(wěn)定性，采用單總線通信協(xié)議，能夠方便地與STM32單片機連接。傳感器通過測量環(huán)境的溫濕度變化，為系統(tǒng)提供實時數(shù)據(jù)。

6.3 有害氣體傳感器

如MQ系列氣體傳感器能夠檢測到甲烷、一氧化碳、硫化氫等有害氣體。它們通過電化學(xué)反應(yīng)或半導(dǎo)體感應(yīng)原理工作，具有較高的靈敏度和響應(yīng)速度，適合在礦井環(huán)境中使用。

6.4 WIFI模塊

WIFI模塊（如ESP8266或ESP32）是系統(tǒng)無線通信的核心，通過UART或SPI接口與STM32單片機連接。它能夠?qū)⒌V井的數(shù)據(jù)上傳至云平臺，支持遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制功能。

7. 總結(jié)

本項目設(shè)計了一種基于STM32單片機的礦井安全監(jiān)測系統(tǒng)，結(jié)合了溫濕度監(jiān)測、有害氣體檢測、人員狀態(tài)監(jiān)測等多種功能，能夠?qū)崟r監(jiān)控礦井環(huán)境并根據(jù)預(yù)設(shè)的閾值進(jìn)行智能控制。系統(tǒng)支持手動和智能兩種控制模式，并通過WIFI模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸與遠(yuǎn)程控制。此外，系統(tǒng)還具備報警、數(shù)據(jù)存儲、云平臺遠(yuǎn)程控制等功能，為礦井安全作業(yè)提供全方位的保障。通過該系統(tǒng)的應(yīng)用，可以顯著提高礦井作業(yè)的安全性，減少由于環(huán)境因素造成的事故。

8. STM32代碼設(shè)計框架

下面是一個完整的 STM32 main.c 示例代碼，子模塊的代碼需要先寫好，包括溫濕度傳感器、氣體傳感器、紅外人體傳感器、LCD顯示、蜂鳴器、風(fēng)扇、按鍵控制、WIFI模塊等。

代碼主要負(fù)責(zé)整合各個子模塊，實現(xiàn)以下功能：

• 溫濕度監(jiān)測和控制
• 有害氣體檢測和報警
• 人員檢測和照明控制
• 按鍵控制模式切換、閾值調(diào)整等
• 無線數(shù)據(jù)傳輸與遠(yuǎn)程控制

#include "stm32f4xx_hal.h"
#include "lcd.h"
#include "dht22.h"
#include "mq_sensor.h"
#include "infrared_sensor.h"
#include "buzzer.h"
#include "fan.h"
#include "keypad.h"
#include "wifi.h"
#include "tim.h"

// 定義閾值
#define TEMP_THRESHOLD_HIGH 30   // 溫度高閾值 30°C
#define TEMP_THRESHOLD_LOW  10   // 溫度低閾值 10°C
#define HUM_THRESHOLD_HIGH 70   // 濕度高閾值 70%
#define HUM_THRESHOLD_LOW  30   // 濕度低閾值 30%
#define GAS_THRESHOLD 100      // 有害氣體閾值 (ppm)

// 全局變量
float current_temp = 0.0f;
float current_hum = 0.0f;
uint16_t gas_concentration = 0;
uint8_t is_person_detected = 0;
uint8_t system_mode = 0;  // 0 - 手動模式, 1 - 智能模式

// 函數(shù)聲明
void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_USART2_UART_Init(void);
static void MX_TIM2_Init(void);
void Control_Fan(uint8_t state);
void Control_Light(uint8_t state);
void Update_LCD(void);
void Read_Sensors(void);
void Check_Buttons(void);
void Check_Thresholds(void);
void Handle_Wifi_Commands(void);

int main(void)
{
    // 初始化硬件
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_USART2_UART_Init();
    MX_TIM2_Init();

    // 初始化各個子模塊
    LCD_Init();
    DHT22_Init();
    MQ_Sensor_Init();
    Infrared_Sensor_Init();
    Buzzer_Init();
    Fan_Init();
    Wifi_Init();

    // 主循環(huán)
    while (1)
    {
        // 讀取傳感器數(shù)據(jù)
        Read_Sensors();

        // 檢查并處理按鍵輸入
        Check_Buttons();

        // 根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)檢查閾值
        Check_Thresholds();

        // 更新LCD顯示
        Update_LCD();

        // 處理Wifi命令（如遠(yuǎn)程控制）
        Handle_Wifi_Commands();
    }
}

// 讀取傳感器數(shù)據(jù)
void Read_Sensors()
{
    // 讀取溫濕度數(shù)據(jù)
    if (DHT22_Read(¤t_temp, ¤t_hum) != HAL_OK)
    {
        // 錯誤處理
        current_temp = 0.0f;
        current_hum = 0.0f;
    }

    // 讀取有害氣體濃度
    gas_concentration = MQ_Sensor_Read();

    // 讀取人員檢測狀態(tài)
    is_person_detected = Infrared_Sensor_Read();
}

// 檢查按鍵輸入
void Check_Buttons()
{
    if (Keypad_IsPressed(1))  // 按鍵1切換到智能模式
    {
        system_mode = 1;
    }
    else if (Keypad_IsPressed(2))  // 按鍵2切換到手動模式
    {
        system_mode = 0;
    }

    if (system_mode == 0)  // 手動模式
    {
        if (Keypad_IsPressed(3))  // 按鍵3：開風(fēng)扇
        {
            Control_Fan(1);
        }
        else if (Keypad_IsPressed(4))  // 按鍵4：關(guān)風(fēng)扇
        {
            Control_Fan(0);
        }

        if (Keypad_IsPressed(5))  // 按鍵5：開照明燈
        {
            Control_Light(1);
        }
        else if (Keypad_IsPressed(6))  // 按鍵6：關(guān)照明燈
        {
            Control_Light(0);
        }
    }
}

// 檢查溫濕度、有害氣體和人員檢測的閾值
void Check_Thresholds()
{
    // 智能模式下自動控制
    if (system_mode == 1)
    {
        // 溫度控制
        if (current_temp > TEMP_THRESHOLD_HIGH)
        {
            Control_Fan(1);  // 啟動風(fēng)扇
        }
        else if (current_temp < TEMP_THRESHOLD_LOW)
        {
            Control_Fan(0);  // 關(guān)閉風(fēng)扇
        }

        // 濕度控制
        if (current_hum > HUM_THRESHOLD_HIGH)
        {
            Control_Fan(1);  // 啟動風(fēng)扇進(jìn)行除濕
        }
        else if (current_hum < HUM_THRESHOLD_LOW)
        {
            Control_Fan(0);  // 關(guān)閉風(fēng)扇
        }

        // 有害氣體控制
        if (gas_concentration > GAS_THRESHOLD)
        {
            Buzzer_Alarm();    // 啟動蜂鳴器報警
            // 啟動排風(fēng)口
            Fan_Start_Exhaust();
        }
        else
        {
            Buzzer_Stop();     // 關(guān)閉蜂鳴器
            Fan_Stop_Exhaust(); // 關(guān)閉排風(fēng)口
        }

        // 礦工照明控制
        if (is_person_detected)
        {
            Control_Light(1);  // 開燈
        }
        else
        {
            Control_Light(0);  // 關(guān)燈
        }
    }
}

// 更新LCD顯示
void Update_LCD()
{
    LCD_Clear();
    LCD_SetCursor(0, 0);
    LCD_Printf("Temp: %.2f C  Hum: %.2f %%", current_temp, current_hum);
    LCD_SetCursor(1, 0);
    LCD_Printf("Gas: %d ppm  Person: %s", gas_concentration, is_person_detected ? "Yes" : "No");

    // 顯示當(dāng)前模式
    LCD_SetCursor(2, 0);
    if (system_mode == 1)
    {
        LCD_Printf("Mode: Smart");
    }
    else
    {
        LCD_Printf("Mode: Manual");
    }
}

// 控制風(fēng)扇開關(guān)
void Control_Fan(uint8_t state)
{
    if (state)
    {
        Fan_On();
    }
    else
    {
        Fan_Off();
    }
}

// 控制燈光開關(guān)
void Control_Light(uint8_t state)
{
    if (state)
    {
        Light_On();
    }
    else
    {
        Light_Off();
    }
}

// 處理Wifi命令（如遠(yuǎn)程控制）
void Handle_Wifi_Commands()
{
    // 讀取Wifi命令并執(zhí)行控制
    if (Wifi_IsCommandAvailable())
    {
        uint8_t command = Wifi_GetCommand();
        if (command == 1)  // 遠(yuǎn)程開風(fēng)扇
        {
            Control_Fan(1);
        }
        else if (command == 2)  // 遠(yuǎn)程關(guān)風(fēng)扇
        {
            Control_Fan(0);
        }
        else if (command == 3)  // 遠(yuǎn)程開燈
        {
            Control_Light(1);
        }
        else if (command == 4)  // 遠(yuǎn)程關(guān)燈
        {
            Control_Light(0);
        }
    }
}

1. 傳感器數(shù)據(jù)讀取 ：
   • 使用 DHT22_Read 函數(shù)讀取溫濕度數(shù)據(jù)。
   • 使用 MQ_Sensor_Read 函數(shù)讀取有害氣體濃度。
   • 使用 Infrared_Sensor_Read 檢測是否有礦工在礦井內(nèi)。
2. 控制邏輯 ：
   • 根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)（溫濕度、有害氣體、人員狀態(tài)）判斷是否觸發(fā)控制風(fēng)扇、燈光、蜂鳴器等外設(shè)。
   • 系統(tǒng)支持手動模式和智能模式切換，按鍵可以控制風(fēng)扇、燈光的開關(guān)。
3. 顯示與遠(yuǎn)程控制 ：
   • LCD_Clear 和 LCD_Printf 用于在LCD屏幕上顯示溫濕度、有害氣體濃度、人員狀態(tài)、當(dāng)前模式等信息。
   • 通過 Wifi_IsCommandAvailable 和 Wifi_GetCommand

審核編輯 黃宇