摘" 要：以STM32F10作为主控制板，设计并制作了一个适用于家庭的环境监测系统。该环境监测系统配备多种环境检测器，满足防火、防盗、防爆等多种家庭安全保障需求，实现家庭环境数据可视化，并具备超出设定阈值报警等功能。为进一步增强家中无人时家庭环境的安全性，监测系统利用OneNet物联网平台实现数据云存储，实现不受时空限制地查看家庭情况，提高设备智能化、协作化水平。具有检测精度高、使用简便、安全性高等特点，对实现家庭安全保障，增强应急能力，推动科技普及等具有重大意义。
关键词：STM32；环境检测；智能安全；异常警报
中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2025）03-0194-05
Design and Research on Environmental Monitoring System for Home Safety
HUI Xiaoying， HAO Chuanzhu
（Shandong Huayu University of Technology， Dezhou" 253034， China）
Abstract： This paper designs and produces an environmental monitoring system suitable for homes， utilizing the STM32F10 as the main control board. The environmental monitoring system is equipped with various environmental detectors to meet multiple safety requirements for homes， including fire prevention， theft prevention， and explosion prevention. It realizes visualizing home environmental data and has functions such as alarm for conditions that exceed set thresholds. To further enhance the safety of the home environment when unoccupied， the monitoring system utilizes the OneNet IoT platform to realize data cloud storage， and it can view the home conditions without time and space limitations， improving the intelligent and collaborative level of equipment. The system is characterized by high detection accuracy， ease of use， and high safety， which is of great significance for achieving home safety， enhancing emergency response capabilities， and promoting the popularization of science and technology.
Keywords： STM32; environmental monitoring; intelligent safety; abnormal alarm
0" 引" 言
随着科技的进步和物联网技术的发展，现代家庭不仅追求舒适的居住环境，家庭环境安全对健康和生活质量的影响也受到人们的广泛关注[1]。据统计，2022年全国消防救援队伍共接报处置各类警情209.2万起，其中火灾警情占据了相当大的比例。2021年，全国因燃气事故导致的伤亡人数达到了2 000人，且入室盗窃行凶等案件的发生率在近年来也呈上升趋势。虽然安装摄像头、空气净化器等设备对提升家庭环境安全性具有一定帮助，但这些解决方案仍然面临诸多挑战。例如，设备成本高、技术依赖性强、数据泄露风险、存在监测盲区等。
随着用户对家庭和工作环境安全需求不断上升，传统家庭安防系统亟须被更加智能、高效的一体化安全环境监测系统所取代。这类系统应具备灵活的模块化设计，能够同时处理空气质量监测、入侵检测、火灾报警等多种功能，通过统一的界面进行管理与控制。这不仅能提高用户的使用便捷性和体验感，还能有效降低维护成本。
根据目前嵌入式技术的发展现状，以及环境监测领域中的实际需求，本项目旨在针对以家庭为环境监测对象这一特定场景，实现一套完整的、具备一定可扩展性的智能环境监测系统，将各类前端数据采集模块与嵌入式核心处理平台分开，采用分布式监测系统[2]，使在保持嵌入式处理平台基本不做改变的情况下，通过改变前端数据采集模块使整个系统可以相对轻易地移植到其他环境中[3]。
1" 国内外的研究和发展动态
从国外研究现状来看，家庭安全监测等概念在20世纪末提出，进入21世纪后，随着无线通信、智能家居和大数据分析等技术的发展[4]，这些概念得到了显著的推动与演变，智能传感器和物联网技术被广泛应用于家庭安防系统中，使得家庭安全系统变得更加高效和智能化。但整合度不高、管理强度不足等问题仍然存在[5]，全球范围内的标准化努力和跨国合作正在不断加强，环境监测工作的自动化、智能化仍是必然发展趋势。
相较于国外而言，我国安全环境监测相关研究的开展较国外稍显滞后[6]，但随着政府对智能安防技术的政策支持，以及物联网技术的发展，家庭安全环境监测领域的研究已经在很多研究所和高校广泛展开。其研究的热点包括：智能传感器与物联网技术应用、空气质量监测技术、健康监测技术、噪声监测与管理、家庭安全监测系统、环境数据的人工智能分析等，但是总体来说属于起步阶段，还有很多问题亟待解决。
安全环境监测产品种类繁多，涵盖多种应用场合，但多数产品为针对特定需求设计，缺乏可广泛应用的整体一体化安全环境监测系统。尽管国外在数据检测和安防等领域取得了显著成果，但针对产品一体化设计的研究仍相对稀缺，相关的综合解决方案也鲜有推出。这导致市场上存在大量单一功能的设备，而缺乏能够将多项监测功能集成在一起的系统。
2" 主要研究内容
STM32F10是一款基于ARM Cortex-M3架构的32位微控制器，主频可达72 MHz，确保数据采集的实时性和高效性。STM32广泛应用于嵌入式系统的开发，广泛应用于工业控制、物联网、自动化等领域。它通常包含核心处理器、模拟功能、时钟系统、调试接口等组件，支持多种工作模式，可实现低功耗、高效率的运行。系统设计架构图如图1所示。安全环境监测系统采用模块化设计，共有门禁安防子系统、环境检测子系统和入侵报警子系统[7]三大部分：
1）门禁安防子系统由指纹锁和密码锁两个模块组成，指纹锁利用生物识别技术，确保只有经过授权的用户可以进入。密码锁允许用户设定自定义的数字密码，方便了用户在无法使用指纹时的访问，增强了系统的灵活性和便利性。
2）环境检测子系统分为安防检测和火灾防爆检测两部分。安防检测通过嵌入门窗内的震动传感器监测是否存在异常入侵。火灾防爆检测利用多种传感器全方位监测家庭环境的各项数据指标，确保家庭安全。
3）环境检测系统采集的各类环境数据实时上传至云平台。用户可随时随地获取家庭环境信息，并且云平台根据预设条件，在采集数据超过阈值时触发实时警报，确保用户在发生异常情况时能够及时响应。
4）入侵报警子系统包括警报器和电话报警模块，无论用户是在家还是外出，都能够有效提醒房屋内外的所有人员，确保不遗漏任何潜在的安全威胁。
3" 系统设计
家庭安全环境监测系统主要分为三部分。第一部分为分布在各个房间的各类环境数据采集装置，通过实时检测上传环境数据，保障家庭环境安全。第二部分在门窗内嵌入震动传感器，用以检测是否存在非法人员闯入。第三部分与前两部分相互配合，在存在突发情况时向外发出警报。并在门锁处配备指纹锁及密码锁，配合震动传感器，共同保障家庭安防环境的安全[8]。实物图如图2所示。
家庭安全环境监测系统的整体电路图如图3所示。
3.1" 环境数据采集
环境数据采集方式主要包括人工观察、摄像头监控、卫星遥感和数据挖掘与分析等。然而，对于封闭性较强且环境因个体或地理位置而存在显著差异的家庭环境，采用分散式传感器测量与集中数据处理相结合的方式，能够更好地适应环境并及时做出反应[2]。环境检测流程图如图4所示。
3.1.1" 温湿度检测
家庭安全环境监测系统需要实时检测各个房间的温湿度数据，充分考虑季节变化和房间功能的差异性，家庭环境的温度大致在10 ℃至35 ℃之间，湿度在30%至60%范围内。为满足这一需求，DHT11传感器提供的温湿度测量范围为-40℃至125℃和0%至100%，使其能够准确有效地获取环境数据。
火灾初期，室温通常在30 ℃到70 ℃之间。随着火源燃烧，温度可迅速升至100 ℃以上。因此，为在温度未达到危险水平之前及时发出警报，项目设定55 ℃为火灾报警阈值，以提醒家庭成员及时采取应对措施。
3.1.2" 酒精检测
随着人们对消毒的关注增加，酒精消毒液受到重视。为确保家庭环境安全，项目设置了酒精检测装置MQ-3以监测环境中的酒精浓度。当空气中有酒精分子时，部分气体吸附在涂有敏感材料的MQ-3表面，致使电导率和输出电压变化，实现对气体浓度的检测。
本项目中，酒精检测装置阈值设定在0.2%（即2 000×10-6）至0.5%（即5 000×10-6）之间。一旦检测到酒精浓度超过安全阈值，系统将自动发出警报。
3.1.3" 天然气检测
天然气检测装置主要位于天然气管道及灶台旁，用以检测天然气浓度是否处于正常范围之内，是否存在燃气泄漏的情况，天然气检测装置采用MQ-4传感器，MQ-4表面二氧化锡对烷类气体具有较高的灵敏度，可以很好地检测空气中易燃易爆气体的浓度，天然气检测设定最高阈值为4 000×10-6，搭配酒精及温湿度传感器，共同监测家庭环境中的气体数据，保障家庭环境的安全。
3.1.4" 震动检测
震动检测装置属于安防环境检测中的重要指标，将震动检测模块嵌入在门窗内部或表面，当有非法人员企图通过撬门、砸窗等手段进入室内时，模块内的压电陶瓷检测到持续的异常震动并将数据发送至主系统，主系统中安全信号发生变化，警报装置获得后发出警报。
3.2" 门禁安防系统
3.2.1" 密码锁
密码锁采用4×4的16位按键盘构成，每个按键可用于输入数字或其他符号，用户通过输入特定的密码组合来解锁或锁定设备。对于不同用户，可以灵活设置个性化密码，增强安全性。此外，密码锁配备LCD显示屏，LCD显示屏将控制系统中获得的数据读取出来并反馈给用户。为了提高整体安全性，密码锁采用计数机制与标志位相结合，设置误输入尝试限制，若连续错误输入多次后将锁定键盘，防止暴力破解。
3.2.2" 指纹锁
指纹锁采用AS608指纹模块，搭配LCD显示屏，当有人尝试开锁时，光学传感器扫描指纹图像，并对图像进行增强、去噪、二值化等处理，将指纹的脊线、分叉和端点等特征提取出来，生成指纹特征模板，并与存储器中的指纹进行比对，从而确定用户身份，避免传统钥匙丢失或被盗的风险。门禁安防系统流程图如图5所示。
3.3" 数据采集与显示
3.3.1" LCD显示屏
LCD显示屏通过串口连接至控制系统，及时将环境监测数据和门禁安防系统的反馈信息呈现出来，为用户提供直观的反馈，如图6所示。这种设计使得用户能够迅速掌握系统的工作状态及环境信息，从而做出及时响应。LCD可以显示多种信息，如：
1）实时门禁系统识别状态。用户可以看到指纹识别是否成功，若失败则会有提示信息，帮助用户了解当前使用情况。
2）环境监测数据。通过与各类传感器的连接，LCD屏幕实时显示温度、湿度等各类环境数据，确保用户随时了解家庭的安全状况。
通过这些数据的实时反馈，LCD显示屏不仅提升了用户体验，增强了设备的互动性，还使得家庭安全管理更加高效，进一步优化门禁安防系统使用的便利性。
3.3.2" OneNET云平台
项目通过ESP32模块将控制系统与云平台相连接，控制系统与ESP32采用串口通信将环境检测数据发送至ESP32模块，ESP32通过Wi-Fi模块将数据发送至云平台[9]。ESP32模块与OneNet云平台之间通过MQTT协议进行数据传输[10]，将接收到的温湿度、天然气浓度、门禁状态数据存储在云端，用户不仅可以实时查看门禁系统的状态及环境数据，还可访问历史数据，如图7所示。数据实时刷新能够帮助用户及时发现异常情况，如非法入侵或环境变化，从而采取必要的安全措施。
3.4" 入侵报警子系统
入侵报警子系统由家庭报警器和SIM800模块组成，当环境监测数据出现异常时，系统会立即向警报装置发送报警信号。家庭报警器接收到报警信号后，蜂鸣器发出“滴滴”声提醒家庭成员，同时，电话模块连接基站信号向户主拨打电话，如图8所示。确保户主能够及时获取警报信息以采取必要的应对措施。
3.5" 系统测试
烧录程序，对系统进行测试。
以天然气传感器为例，使用打火机模拟天然气浓度升高，MQ-4传感器迅速感知到周围天然气浓度的显著增加。传感器的输出信号被传输至控制系统，此过程响应时间约0.5 s，控制系统将检测到的数据与预设值进行对比，检测浓度超出阈值，安全信号标志位发生改变，警报装置发出警报信号，整个过程在1 s以内。
同时，SIM800模块启动，连接到通信信号，向预设的手机号码发出警报电话，为节省串口资源，SIM800A模块在接收到危险信号之后开始连接信号塔，故此反应过程较慢，因房间环境不同，响应时间在2～7 s不等，成功率在65%～95%之间，若房间内信号不佳或存在信号干扰，成功率会在一定程度上降低。OneNet云平台最快刷新速率为3 s/次，一般响应速度在5 s左右。
当门禁系统中的密码锁连续错误输入超过三次时，系统立即触发自动锁定机制。输入时，按键响应时间整体高于指纹扫描时间，指纹解锁作为日常常用门禁手段，匹配成功率在95%以上。
4" 结" 论
随着现代社会对家庭安全及生活质量需求的日益增长，安全环境监测系统的适应性和重要性愈加突显。本项目综合了门禁安防系统与环境检测系统两大模块，将采集到的各类数据实时上传至云平台，提供了一种全面的安全解决方案。
该作品使用指纹锁作为检测用户权限的手段之一。指纹锁运用生物识别技术，确保仅授权用户才能进入，减少了因密码泄露或遗忘而引起的安全隐患。同时，密码锁使得在无法使用指纹的情况下，用户依然能够通过识别。安全环境监测系统通过震动传感器监测异常入侵，当识别到非正常震动时，系统发出警报信号。而火灾防爆检测系统则通过多种传感器，实时监测各种环境数据，如温度、湿度、气体浓度等，确保及时发现隐患并告知用户。
安全环境监测系统可以实时检测环境信息，帮助用户了解家庭环境情况，从而避免火灾、爆炸等灾害的发生，安防系统也能够进一步保卫家庭成员的安全。希望未来因环境隐患等疏忽而产生的警情能够大幅减少，提高家庭环境的舒适性和安全性。希望通过对这一课题的研究，促进安防预警相关产品的设计与发展，注重用户体验、优化系统性能，打造一个安全、和谐的社会环境。
参考文献：
[1] 付瑞玲，刘晨，马晨曦，等.基于OneNET平台的语音控制室内环境监测系统设计 [J].黄河科技学院学报，2024，26（8）：75-80.
[2] 王丰贵.因特网环境下分布式监测系统关键技术研究及应用 [D].长春：吉林大学，2009.
[3] 杨峥.基于嵌入式处理器的智能环境监测系统的设计与实现 [D].北京：北京邮电大学，2014.
[4] 周琦.无线传感器网络在工业控制领域的发展和应用 [J].石油化工自动化，2010，46（3）：51-54.
[5] 张来洪，鲁兴，黄正宏，等.基于ESP32的远程环境监测系统的设计 [J].物联网技术，2024，14（8）：37-40+45.
[6] 车丽娜.无线传感器网络异常数据检测算法在农业大棚环境监测系统中的研究与应用 [D].沈阳：辽宁大学，2023.
[7] 梁龙兵.基于STM32F103氢气泄漏监测系统的设计与实现 [J].物联网技术，2024，14（8）：28-30.
[8] 刘世杰，彭国生，陈闯，等.基于信息融合的智慧家庭管理系统设计 [J].物联网技术，2024，14（8）：120-123.
[9] 曹佳圆，王军敏.基于STM32单片机的基站机房环境监测系统设计 [J].电子产品世界，2024，31（8）：32-35.
[10] 莫偲.基于声音识别的环境监测系统的设计与实现 [D].北京：北京邮电大学，2022.
作者简介：惠小影（2004.06—），女，汉族，山东日照人，本科在读，研究方向：自动化；郝传柱（1983.04—），男，汉族，山东聊城人，副教授，工程师，本科，研究方向：自动化、控制工程。
