基于STM32单片机矿井矿工作业安全监测设计

基于STM32单片机矿井矿工作业安全监测设计

目录

  1. 项目开发背景
  2. 设计实现的功能
  3. 项目硬件模块组成
  4. 设计思路
  5. 系统功能总结
  6. 使用的模块技术详情介绍
  7. 总结

1. 项目开发背景

随着矿井矿工作业环境的复杂性和危险性逐渐增加,矿井作业安全问题引起了社会各界的广泛关注。传统的矿井安全监测主要依赖人工巡查和固定的监测设备,存在信息滞后、反应速度慢、危险气体难以实时监测等缺陷。因此,开发一种基于先进技术的智能化矿井安全监测系统,能够实时监测矿井环境的温湿度、气体浓度、人员状态等重要参数,是确保矿井作业安全的必要举措。

本项目设计一个基于STM32单片机的矿井作业安全监测系统。该系统能够实时监测矿井的环境参数,并通过智能控制系统进行调节,如温湿度调节、气体排放、警报提示等,确保矿工的作业环境符合安全标准。系统还支持无线数据传输和远程控制,通过手机APP或云平台实现对矿井环境的实时监控与控制。

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2. 设计实现的功能

本项目的设计目的是实现一套基于STM32单片机的矿井安全监测系统,能够全面、实时地监控矿井内部环境,保障矿工的生命安全。其主要功能包括:

  • 环境温湿度监测:通过温湿度传感器实时采集矿井的环境温度和湿度数据,当温度超过设定阈值时,系统启动风扇进行散热;当湿度超标时,系统启动风扇进行除湿。
  • 有害气体检测:使用甲烷、一氧化碳和其他有毒气体传感器,实时监测矿井中有害气体的浓度。当有害气体浓度达到预警值时,系统启动排风口排气,同时启动蜂鸣器报警,提醒工作人员进行疏散。
  • 人员监测:通过红外人体传感器,检测矿井内是否有矿工或工作人员。如果检测到矿工,系统将自动开启照明设备。
  • 按键控制功能:通过按键实现系统的智能模式与手动模式切换、温湿度阈值的设置、散热与排风控制等功能。
  • LED液晶显示屏显示信息:通过LCD屏幕显示当前温湿度数据、气体浓度、有害气体预警状态、人员状态、控制模式等信息,方便操作人员实时查看。
  • 无线传输与手机APP监控:系统支持通过WIFI模块将采集到的数据传输至手机APP,用户可以通过APP实时查看矿井数据、切换系统模式、设置温湿度阈值、进行远程控制等。
  • WIFI云平台控制:通过WIFI模块将数据上传至云平台,实现远程监控与控制,系统可以在全球范围内进行实时监控和控制。

3. 项目硬件模块组成

本系统的硬件部分由多个模块组成,各个模块之间通过单片机进行通信和控制。主要硬件模块包括:

  1. STM32单片机:作为系统的核心控制单元,负责处理传感器数据、控制各种外设、实现数据传输与控制命令的处理。
  2. 温湿度传感器:如DHT22或SHT11,用于实时监测矿井的温度和湿度值。
  3. 气体传感器:包括MQ系列传感器(MQ-2、MQ-7、MQ-135等)或MH-Z19等,用于监测甲烷、一氧化碳、硫化氢等有害气体的浓度。
  4. 红外人体传感器:如HC-SR501,用于检测矿井内是否有人存在。
  5. 蜂鸣器:用于发出警报信号,当有害气体浓度超标时进行报警。
  6. 风扇与排风口控制模块:根据温湿度传感器和气体浓度的实时监测数据,控制风扇与排风口的启停。
  7. LED液晶显示屏(LCD):如1602或2004液晶显示屏,显示温湿度、气体浓度、人员监测、系统模式等信息。
  8. 按键模块:7个按键,用于模式切换、阈值设置、风扇控制、照明控制等手动操作。
  9. WIFI模块:如ESP8266或ESP32,负责实现系统与手机APP、云平台的数据通信。
  10. 电源管理模块:为系统提供稳定的电源供应,通常采用DC-DC升压或降压模块。
  11. 继电器模块:用于控制风扇、排风口、照明灯等大功率设备的开关。
  12. APP端与云平台:基于Android或iOS开发的手机APP,通过WIFI与系统通信,实现远程控制和监测。

4. 设计思路

整个系统设计的核心是STM32单片机,通过实时采集矿井的温湿度、有害气体浓度、人员状态等信息,并根据设定的阈值进行智能控制。系统分为智能模式和手动模式两种控制方式,用户可以根据需要选择合适的控制模式。

4.1 数据采集与处理

系统通过传感器模块实时采集矿井内的温湿度、气体浓度、人员状态等数据。这些数据通过ADC(模拟到数字转换)接口或I2C/SPI接口传输至STM32单片机。单片机对采集到的数据进行处理,判断是否超过设定阈值,并执行相应的控制操作。

4.2 模式切换与控制

根据用户的操作,系统支持智能模式与手动模式的切换。在智能模式下,系统自动根据传感器数据控制风扇、排风口、蜂鸣器等外设,以保证矿井环境处于安全状态。在手动模式下,用户通过按键手动控制风扇、排风口等设备的开关,并设置温湿度阈值。

4.3 无线传输与远程控制

为了实现对矿井环境的实时监控与控制,系统通过WIFI模块与手机APP或云平台进行数据交互。通过WIFI模块,矿井的数据可以上传至云平台,用户可随时随地通过手机APP查看矿井内的实时数据,并进行模式切换、设备控制等操作。

4.4 显示与警报

通过LCD液晶屏实时显示矿井内的温湿度、气体浓度、人员状态等信息,便于操作人员查看。此外,当矿井内的温湿度、气体浓度等超过安全阈值时,蜂鸣器将发出警报声,提醒工作人员进行疏散或采取相应的安全措施。

5. 系统功能总结

功能模块功能描述
温湿度监测实时采集矿井的温湿度数据,温度过高时启动风扇进行散热,湿度过高时启动风扇进行除湿。
有害气体监测监测甲烷、一氧化碳等有害气体浓度,超过安全阈值时启动排风口并发出蜂鸣器报警。
人员检测通过红外人体传感器检测矿井内是否有人员存在,并根据人员状态自动控制照明设备。
按键控制通过按键实现系统模式切换、阈值设置、散热除湿、通风排气等手动控制。
LCD显示显示温湿度、气体浓度、人员状态、当前模式等信息,方便用户实时监控。
WIFI远程控制通过WIFI模块实现数据无线传输,手机APP实时显示数据并可进行远程控制。
云平台监控与控制数据上传至云平台,用户可随时远程查看和控制矿井环境。

6. 使用的模块技术详情介绍

6.1 STM32单片机

STM32系列单片机采用ARM Cortex-M内核,具有高性能、低功耗、高度集成的特点。它通过内置的ADC、GPIO、USART、I2C等接口与各个传感器模块进行连接,能够实时处理各类传感器数据并进行控制操作。

6.2 温湿度传感器

温湿度传感器如DHT22具有较高的测量精度和稳定性,采用单总线通信协议,能够方便地与STM32单片机连接。传感器通过测量环境的温湿度变化,为系统提供实时数据。

6.3 有害气体传感器

如MQ系列气体传感器能够检测到甲烷、一氧化碳、硫化氢等有害气体。它们通过电化学反应或半导体感应原理工作,具有较高的灵敏度和响应速度,适合在矿井环境中使用。

6.4 WIFI模块

WIFI模块(如ESP8266或ESP32)是系统无线通信的核心,通过UART或SPI接口与STM32单片机连接。它能够将矿井的数据上传至云平台,支持远程监控与控制功能。

7. 总结

本项目设计了一种基于STM32单片机的矿井安全监测系统,结合了温湿度监测、有害气体检测、人员状态监测等多种功能,能够实时监控矿井环境并根据预设的阈值进行智能控制。系统支持手动和智能两种控制模式,并通过WIFI模块实现数据无线传输与远程控制。此外,系统还具备报警、数据存储、云平台远程控制等功能,为矿井安全作业提供全方位的保障。通过该系统的应用,可以显著提高矿井作业的安全性,减少由于环境因素造成的事故。

8. STM32代码设计框架

当前项目使用的相关软件工具已经上传到网盘:https://ccnr8sukk85n.feishu.cn/wiki/QjY8weDYHibqRYkFP2qcA9aGnvb?from=from_copylink

下面是一个完整的 STM32 main.c 示例代码,子模块的代码需要先写好,包括温湿度传感器、气体传感器、红外人体传感器、LCD显示、蜂鸣器、风扇、按键控制、WIFI模块等。

代码主要负责整合各个子模块,实现以下功能:

  • 温湿度监测和控制
  • 有害气体检测和报警
  • 人员检测和照明控制
  • 按键控制模式切换、阈值调整等
  • 无线数据传输与远程控制
#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"

// 定义阈值
#define TEMP_THRESHOLD_HIGH 30   // 温度高阈值 30°C
#define TEMP_THRESHOLD_LOW  10   // 温度低阈值 10°C
#define HUM_THRESHOLD_HIGH 70   // 湿度高阈值 70%
#define HUM_THRESHOLD_LOW  30   // 湿度低阈值 30%
#define GAS_THRESHOLD 100      // 有害气体阈值 (ppm)

// 全局变量
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 - 手动模式, 1 - 智能模式

// 函数声明
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();

    // 初始化各个子模块
    LCD_Init();
    DHT22_Init();
    MQ_Sensor_Init();
    Infrared_Sensor_Init();
    Buzzer_Init();
    Fan_Init();
    Wifi_Init();

    // 主循环
    while (1)
    {
        // 读取传感器数据
        Read_Sensors();

        // 检查并处理按键输入
        Check_Buttons();

        // 根据传感器数据检查阈值
        Check_Thresholds();

        // 更新LCD显示
        Update_LCD();

        // 处理Wifi命令(如远程控制)
        Handle_Wifi_Commands();
    }
}

// 读取传感器数据
void Read_Sensors()
{
    // 读取温湿度数据
    if (DHT22_Read(&current_temp, &current_hum) != HAL_OK)
    {
        // 错误处理
        current_temp = 0.0f;
        current_hum = 0.0f;
    }

    // 读取有害气体浓度
    gas_concentration = MQ_Sensor_Read();

    // 读取人员检测状态
    is_person_detected = Infrared_Sensor_Read();
}

// 检查按键输入
void Check_Buttons()
{
    if (Keypad_IsPressed(1))  // 按键1切换到智能模式
    {
        system_mode = 1;
    }
    else if (Keypad_IsPressed(2))  // 按键2切换到手动模式
    {
        system_mode = 0;
    }

    if (system_mode == 0)  // 手动模式
    {
        if (Keypad_IsPressed(3))  // 按键3:开风扇
        {
            Control_Fan(1);
        }
        else if (Keypad_IsPressed(4))  // 按键4:关风扇
        {
            Control_Fan(0);
        }

        if (Keypad_IsPressed(5))  // 按键5:开照明灯
        {
            Control_Light(1);
        }
        else if (Keypad_IsPressed(6))  // 按键6:关照明灯
        {
            Control_Light(0);
        }
    }
}

// 检查温湿度、有害气体和人员检测的阈值
void Check_Thresholds()
{
    // 智能模式下自动控制
    if (system_mode == 1)
    {
        // 温度控制
        if (current_temp > TEMP_THRESHOLD_HIGH)
        {
            Control_Fan(1);  // 启动风扇
        }
        else if (current_temp < TEMP_THRESHOLD_LOW)
        {
            Control_Fan(0);  // 关闭风扇
        }

        // 湿度控制
        if (current_hum > HUM_THRESHOLD_HIGH)
        {
            Control_Fan(1);  // 启动风扇进行除湿
        }
        else if (current_hum < HUM_THRESHOLD_LOW)
        {
            Control_Fan(0);  // 关闭风扇
        }

        // 有害气体控制
        if (gas_concentration > GAS_THRESHOLD)
        {
            Buzzer_Alarm();    // 启动蜂鸣器报警
            // 启动排风口
            Fan_Start_Exhaust();
        }
        else
        {
            Buzzer_Stop();     // 关闭蜂鸣器
            Fan_Stop_Exhaust(); // 关闭排风口
        }

        // 矿工照明控制
        if (is_person_detected)
        {
            Control_Light(1);  // 开灯
        }
        else
        {
            Control_Light(0);  // 关灯
        }
    }
}

// 更新LCD显示
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");

    // 显示当前模式
    LCD_SetCursor(2, 0);
    if (system_mode == 1)
    {
        LCD_Printf("Mode: Smart");
    }
    else
    {
        LCD_Printf("Mode: Manual");
    }
}

// 控制风扇开关
void Control_Fan(uint8_t state)
{
    if (state)
    {
        Fan_On();
    }
    else
    {
        Fan_Off();
    }
}

// 控制灯光开关
void Control_Light(uint8_t state)
{
    if (state)
    {
        Light_On();
    }
    else
    {
        Light_Off();
    }
}

// 处理Wifi命令(如远程控制)
void Handle_Wifi_Commands()
{
    // 读取Wifi命令并执行控制
    if (Wifi_IsCommandAvailable())
    {
        uint8_t command = Wifi_GetCommand();
        if (command == 1)  // 远程开风扇
        {
            Control_Fan(1);
        }
        else if (command == 2)  // 远程关风扇
        {
            Control_Fan(0);
        }
        else if (command == 3)  // 远程开灯
        {
            Control_Light(1);
        }
        else if (command == 4)  // 远程关灯
        {
            Control_Light(0);
        }
    }
}

  1. 传感器数据读取
    • 使用 DHT22_Read 函数读取温湿度数据。
    • 使用 MQ_Sensor_Read 函数读取有害气体浓度。
    • 使用 Infrared_Sensor_Read 检测是否有矿工在矿井内。
  2. 控制逻辑
    • 根据传感器数据(温湿度、有害气体、人员状态)判断是否触发控制风扇、灯光、蜂鸣器等外设。
    • 系统支持手动模式和智能模式切换,按键可以控制风扇、灯光的开关。
  3. 显示与远程控制
    • LCD_ClearLCD_Printf 用于在LCD屏幕上显示温湿度、有害气体浓度、人员状态、当前模式等信息。
    • 通过 Wifi_IsCommandAvailableWifi_GetCommand

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