基于立创·地阔星STM32实验室环境与安防检测系统

视频链接：

B站视频--功能演示及介绍

项目简介

系统通过 ESP-01S (ESP8266) WiFi模块接入 中国移动 OneNet 物联网云平台，支持MQTT协议数据上报与远程指令控制。用户不仅可以通过板载OLED屏幕查看状态，还能通过云平台或APP远程监控环境数据、控制继电器设备以及管理安防报警模式。

• 项目主要应用场景：
• 实验室/机房环境监控
• 智能家居安防演示
• 物联网MQTT协议学习与开发验证

项目功能

1. 环境监测：

• 温湿度：采用 SHT30 高精度传感器。
• 光照强度：采用 BH1750 光照传感器。
• 可燃气体/烟雾：采用 MQ-2 传感器（通过ADC采集）。

2. 安防报警：

• 人体感应：HC-SR501 PIR 传感器监测人体移动。
• 门磁监测：监测门窗开关状态。
• 声光报警：支持本地蜂鸣器报警与LED指示，支持远程消音。
• 安防模式：可通过按键或云端一键开启/关闭布防模式。
• 温湿度检测：调整温湿度的阈值，检测温湿度是否异常，进行报警。

4. 远程控制：

• 集成两路继电器（Relay），可远程控制排气扇、灯光等外设。
• 支持远程控制LED状态和蜂鸣器。

5. 人机交互：

• OLED显示：0.96寸 OLED 实时显示传感器数值、WiFi/MQTT连接状态图标。
• 按键控制：支持布防/撤防切换，支持长按进入配网模式；温湿度警告阈值修改。

6. 网络与配置：

• AP配网模式：长按按键进入配置模式，设备开启热点，用户通过连接热点访问网页配置WiFi账号密码及OneNet设备信息（ID/Key/Token），参数掉电保存（Flash存储）。
• MQTT通信：通过 AT 指令集封装，稳定连接 OneNet 平台。

7. 温湿度警告阈值修改

• 长按key3进入修改模式，长按key1保存退出；
• 点击key3切换要调整的类型（温度或湿度）
• 点击key1/key2 实现阈值增加/减少

硬件设计

1. 核心元器件
   主控: STM32F103C8T6 (立创地阔星stm32f103c8t6)
   WiFi模块: ESP-01S (ESP8266) - 使用串口通信 (UART2)
   传感器:

• SHT30 (I2C)
• BH1750 (I2C)
• MQ-2 (Analog ADC - PA0)
• HC-SR501 (Digital Input - PA1)
  执行器:
• 5V 继电器 x 2 (驱动电路)
• 有源蜂鸣器
  显示: 0.96寸 OLED (I2C接口)
  电源: 5V DC输入，板载 AMS1117-3.3 稳压芯片供电。
  接口:
  Type-C USB: 提供电源输入及 USB 串口通信接口。

2. 电路原理图说明
3. 电源与调试接口 (Power & Debug):
   采用 Type-C 接口作为主要的电源输入和数据通信口，符合现代设备接口标准，使用更方便。
   板载集成 CH340N USB转串口芯片。CH340N 外围电路极其简单（内置晶振），仅需少量电容即可工作。
   连接逻辑: Type-C 的数据脚 (D+/D-) 连接至 CH340N，CH340N 的 TXD/RXD 引脚连接至 STM32 的 USART1 (PA10/PA9)。
   功能: 该设计实现了“一迁两用”：
   供电: 5V 输入经 AMS1117-3.3 降压给系统供电。
   通信: 支持通过 USB 线直接进行 程序下载 (ISP模式) 和 串口打印调试 (Printf Log)，无需额外的 ST-Link 或串口模块，极大降低了开发和维护门槛。
4. WiFi 通信 (UART2):
   ESP-01S 模块连接至 STM32 的 USART2 (PA2/PA3) 接口。
   这种双串口设计（UART1 用于调试/下载，UART2 用于云端通信）保证了数据传输的稳定性，互不干扰。
5. 传感器与外设驱动:
   I2C 总线: SHT30、BH1750 和 OLED 显示屏共用一组 I2C 总线（PB6/PB7），通过软件地址区分设备。
   继电器驱动: 使用 S8050 NPN 三极管驱动继电器线圈，配合续流二极管保护电路，控制外部 220V 负载（如排气扇、照明）。
6. PCB Layout 注意事项
   Type-C 接口: 在 PCB 布局时，Type-C 的 CC1/CC2 引脚需下拉 5.1k 电阻以识别设备（如果使用 CH340N 的内置配置可忽略，视具体电路而定），确保 C-to-C 线缆能正常供电。

软件说明

1. 开发环境
   IDE: Keil uVision 5 (MDK-ARM)
   框架: STM32 HAL 库
   语言: C语言

2. 核心代码逻辑
   系统采用轮询与中断结合的方式运行：
   初始化: 完成 HAL 库、GPIO、I2C、UART 及 Flash 参数读取。
   WiFi连接: 初始化 ESP-01S，读取 Flash 中的配置信息连接路由器，并建立 MQTT 连接到 OneNet。
   主循环:
   数据上报: 每 5秒 (DATA_INTERVAL) 读取所有传感器数据，封装为 JSON 格式并通过 MQTT Topic $sys/{PID}/{DeviceName}/thing/property/post 上报。
   指令处理: 监听 MQTT 订阅 Topic，解析云平台下发的 JSON 指令（控制继电器、LED、布防状态），并执行相应动作。
   安防逻辑: 若处于布防模式 (security_mode == 1)，检测到 PIR 或 门磁触发，则通过蜂鸣器报警。
   配网模式: 长按 Key1，系统进入 AP 模式 (SSID: STM32_Config)，开启 TCP Server (8080端口) 等待 APP 或网页下发配置信息。

3. JSON 数据协议
   上报数据示例:JSON

   {
       "id": "123",
       "params": {
           "Temp": { "value": 25 },
           "Hum": { "value": 60 },
           "Alarm": { "value": false },
           "gas": { "value": 12 },
           "security": { "value": true }
       }
   }
   
   

4. 关键代码：

• 传感器数据封装与上报

  系统通过 MQTT 协议每隔 5 秒向 OneNet 平台发送一次传感器数据。数据采用 OneNet 规定的 OneJson 格式;使用 snprintf 动态构建 JSON 字符串，将 C 语言变量转换为 JSON 键值对，确保数据格式符合云平台要求

  void Send_Data_to_OneNet(void)
  {
      // 1. 读取传感器数据
      if (SHT30_ReadData(&hi2c1, &env) != HAL_OK) { ... } // 读取温湿度
      human = PIR_IsHumanDetected();                      // 读取人体红外
      gas_v = MQ2_ReadPercentage(&hadc1);                 // 读取烟雾浓度
  
      // 2. 封装 JSON 数据包 (OneJson 格式)
      // 格式: {"id":"123", "params": {"Temp": {"value": 25.5}, ...}}
      static char payload[512];
      snprintf(payload, sizeof(payload),
               "{\"id\":\"123\",\"params\":{"
               "\"Temp\":{\"value\":%d},"
               "\"Hum\":{\"value\":%d},"
               "\"Alarm\":{\"value\":%s},"
               "\"gas\":{\"value\":%d},"
               "\"security\":{\"value\":%s}"
               "}}",
               (int)env.temperature,
               (int)env.humidity,
               (buzzer ? "true" : "false"),
               (int)gas_v,
               security_mode ? "true" : "false"
               );
  
      // 3. 通过 MQTT 发布数据到 Topic
       WIFI_MQTT_Publish(MQTT_TOPIC_POST, payload, 0);
  }
  

• 云端指令接收与解析

  当 OneNet 下发控制指令（如开启排气扇）时，STM32 会收到 MQTT 订阅消息。get_param_value 函数通过字符串查找 (strstr) 定位参数位置，解析出 true/false 或数值，实现了高效的指令响应

  void Process_OneNet_Command(MQTT_MESSAGE *msg)
  {
      // 1. 解析接收到的 JSON 字符串
      char *json_data = msg->payload;
  
      // 2. 提取各个功能点的值 (自定义解析函数 get_param_value)
      // 查找 "RELAY1" 字段并在其后寻找 "value" 或布尔值
      int relay1_val = get_param_value(json_data, "RELAY1");
      int security_val = get_param_value(json_data, "security");
  
      // 3. 执行硬件动作
      if (relay1_val >= 0) {
          if(relay1_val == 1) Relay1_On(); // 继电器吸合
          else Relay1_Off();               // 继电器断开
      }
  
      // 4. 切换安防模式
      if (security_val >= 0) {
          security_mode = security_val; // 1=布防, 0=撤防
          // 更新 OLED 图标显示...
      }
  }
  

• 本地安防逻辑

  无论是否连接 WiFi，本地安防逻辑始终在主循环中运行，确保断网情况下系统依然可靠;这里采用了简单的轮询机制。只要开启了 security_mode，系统就会持续监测传感器。一旦触发，蜂鸣器将鸣叫，直到用户按下 KEY2 键进行物理撤防。

  // 在主循环中轮询
  if(security_mode) // 如果处于“布防”模式
  {
      // 检测门磁状态 (高电平触发) 或 人体红外 (高电平触发)
      if(HAL_GPIO_ReadPin(door_GPIO_Port, door_Pin) == GPIO_PIN_SET || PIR_IsHumanDetected())
      {
          // 触发报警
          Buzzer_On(); 
          printf("[ALARM] Intruder Detected!\r\n");
      }
  }
  
  // 物理按键撤防逻辑
  if(Key_Scan(key2_GPIO_Port, key2_Pin) == KEY_SHORT_PRESS) 
  {
      security_mode = 0; // 关闭布防
      Buzzer_Off();      // 停止报警
      OLED_Show16x16Icon(0, 48, blank_icon_16x16); // 清除盾牌图标
  }
  

OneNet 平台配置教程

1. 创建产品与设备
   登录 OneNet 官网，进入开发者中心。
2. 点击 “创建产品”：
   • 类别选择：其他行业 / 智能家居
   • 智能化方式：设备接入
   • 协议：MQTT
   • 数据协议：OneJson (物模型)
3. 进入 “产品开发” -> “设置物模型”，（或者直接导入我提供的物理模型）根据代码定义以下功能点：
   • Temp (温度, float/int)
   • Hum (湿度, float/int)
   • Light (光照, int)
   • gas (烟雾, int)
   • RELAY1, RELAY2, LED, Alarm, security (均为 bool 型)
4. 点击 “设备接入” -> “添加设备”，生成设备名称（Device Name）。
5. Token 生成与配置
   由于新版 OneNet 需要 Token 进行身份验证，请使用官方提供的 Token 生成工具或我提供安卓APP生成连接所需的 Token。
   所需参数：
   • Product ID (产品ID)
   • Device Name (设备名称)
   • Master Key (产品Key)
     app使用：

详情教程在附件文档里

使用说明

由于代码支持 Flash 存储配置，首次使用无需修改代码：

1. 上电启动，OLED 显示初始化界面。
2. 长按 Key1 按键，直到屏幕显示 "Config Mode"。
3. 使用手机/电脑连接热点：STM32_Config (密码: 12345678)。
4. 使用配套的 APP 或 TCP 工具连接 192.168.4.1:8080。
5. 发送配置 JSON 数据：

   {"ssid":"你的WiFi名称","pwd":"WiFi密码","pid":"产品ID","id":"设备名称","key":"Token密钥"}
   

6. 屏幕显示 "Config Saved!" 后自动重启，设备将自动连接 WiFi 和 OneNet。
7. 或者你直接修改代码bsp_esp01s.h里对应配置云平台的宏定义

未来计划

为了进一步提升系统的实用性与交互体验，本项目制定了以下后续开发计划，欢迎社区开发者共同参与：
接入 Web 端可视化管理平台:
目前系统依赖 OneNet 控制台查看数据。未来计划开发一套独立的 Web 前端界面 (计划采用 Vue.js)

功能目标: 通过调用 OneNet 平台的 API 接口，将实验室的温湿度、光照、安全状态等数据以图表（ECharts）形式在网页上实时展示，实现“数据大屏”监控功能，并支持在网页上直接控制继电器开关。

按钮简单操作

• Key1 短按：开启安防模式（屏幕显示盾牌图标）。
• Key2 短按：关闭安防模式 / 停止报警。
• 远程控制：在 OneNet 控制台或自定义 APP 上下发指令控制继电器开关。
• key1 长按：配网模式
• key3 长按：阈值修改模式

实物图

此处可放入组装完成后完整实物图
图：运行界面
说明：左下角图标的安防模式开启；右下角图标表示连接上MQTT服务器和wifi

图：配网界面

图：阈值修改界面

代码

STM32代码： https://github.com/fantasy-Jin/-labguardian-stm32
安卓代码如果需要再整理发布出来