• 基于 STM32 的智能书房环境监测与控制系统设计
  • 一、系统功能总览
  • 二、核心模块选型对比
    • 2.1 主控模块选型
    • 2.2 温湿度模块选型
    • 2.3 光强模块选型
    • 2.4 人员检测模块选型
    • 2.5 RFID 模块选型
  • 三、系统接线总表
  • 四、系统软件设计
    • 4.1 主程序流程
    • 4.2 刷卡与阈值加载流程
    • 4.3 温湿度采集流程
    • 4.4 红外人员检测流程
    • 4.5 Wi-Fi 上报流程
  • 五、系统实现与测试
    • 5.1 硬件焊接与测试
    • 5.2 软件调试
    • 5.3 功能测试
  • 六、总结

基于 STM32 的智能书房环境监测与控制系统设计

导语

家庭书房与小型办公室对温湿度、光照与人员状态越来越需要精细化管理。本文设计一种以 STM32F103C8T6 为核心的智能书房系统，整合 DHT11 温湿度传感器、GL5528 光敏电阻、TCRT5000 红外人体检测与 RC522 RFID 身份识别，由 OLED12864 实时显示，并通过 ESP8266 接入家庭 Wi-Fi；不同卡片可加载个人阈值，自动控制灯光、窗户、通风设备等，并具备无人断电节能模式，适合 DIY 改造与改造型智能家居项目。

一、系统功能总览

编号	功能名称	功能描述
F1	温湿度采集	DHT11 周期采样
F2	光强采集	GL5528 光敏电阻分压读取
F3	人员检测	TCRT5000 红外反射检测
F4	用户识别	RC522 RFID 刷卡读取 UID
F5	个性阈值	不同 UID 加载独立阈值
F6	设备控制	继电器控制灯光、窗户、通风
F7	本地显示	OLED12864 实时显示
F8	远程监控	ESP8266 上传手机 APP

二、核心模块选型对比

2.1 主控模块选型

方案	型号	主频	优点	缺点
方案一	STM32F103C8T6	72 MHz	资源丰富，I²C/SPI/USART 充足	无浮点
方案二	Arduino Uno	16 MHz	上手快	单 USART，多传感器挂载难
方案三	ESP32	240 MHz	内置 Wi-Fi	模拟通道较少

选择方案一： 系统要同时挂 DHT11、GL5528、RC522、OLED 与 ESP8266，对定时器与外设数量有要求，STM32F103C8T6 较为均衡。

2.2 温湿度模块选型

方案	型号	接口	优点	缺点
方案一	DHT11	单总线	价格低，IO 占用少	精度 ±2℃，分辨率 1℃
方案二	DHT22	单总线	精度 0.1℃	价格偏高
方案三	SHT30	I²C	工业级	需 I²C 资源

选择方案一： DHT11 对书房环境足够，单 IO 接入即可满足要求，性价比高。

2.3 光强模块选型

方案	型号	输出	优点	缺点
方案一	GL5528 光敏电阻	模拟	价格低，分压电路简单	输出需 ADC
方案二	BH1750	I²C	数字 lx	占 I²C
方案三	光电二极管	模拟	响应快	电路复杂

选择方案一： 书房只需粗略判断"亮/暗/正常"三档，GL5528 加分压电阻直读 ADC 即可。

2.4 人员检测模块选型

方案	型号	类型	优点	缺点
方案一	TCRT5000	红外反射	价格低，桌面安装	透光物体可能漏判
方案二	HC-SR501	热释电	检测活体	需透镜
方案三	摄像头	-	视觉分析	复杂度高

选择方案一： 书房应用 TCRT5000 检测手部伸入即可触发，TCRT5000 灵敏度高、电路简单。

2.5 RFID 模块选型

方案	型号	接口	优点	缺点
方案一	RC522	SPI	资料多，成本低	读卡距离 ≤ 5 cm
方案二	PN532	I²C/SPI	支持 NFC	价格偏高
方案三	ID 卡读卡器	UART	长距离	无法写卡

选择方案一： 5 cm 距离在门禁场景已足够，RC522 + S50 白卡是经典方案。

三、系统接线总表

模块	引脚	MCU 引脚	说明
DHT11	DATA	PA0	单总线
GL5528	AO	PA1	ADC1 输入
TCRT5000	DO	PA2	数字输入
RC522	SDA/SCK/MOSI/MISO	PB9/PB13/PB15/PB14	SPI2
RC522	RST	PB12	复位
OLED12864	SDA/SCL	PB9/PB8	I²C1（软件）
ESP8266	TX/RX	PA10/PA9	USART1
继电器 1（灯）	IN	PB0	灯光
继电器 2（窗）	IN	PB1	窗户/通风
蜂鸣器	I/O	PB2	提示

备注：OLED 与 RC522 占用 SPI/I²C 不冲突，分别走 SPI2 与软件 I²C，简化布线。

四、系统软件设计

4.1 主程序流程

主程序上电后依次初始化 GPIO、USART、SPI、I²C、OLED、DHT11、GL5528、RC522 与 ESP8266；主循环顺序为刷卡检测 → 采集温湿度与光强 → 加载个性化阈值 → 判断 → 继电器动作 → OLED 显示 → Wi-Fi 上传。

int main(void)
{
    SystemInit();
    OLED_Init();
    DHT11_Init();
    RC522_Init();
    ESP8266_Init();
    ESP8266_JoinAP("home","pwd");

    while (1)
    {
        // 1. 刷卡识别
        if (RC522_CheckCard(uid))
        {
            LoadUserThreshold(uid);
            Beep_On();
        }
        // 2. 数据采集
        DHT11_Read(&temp, &humi);
        light = ADC_Read(PA1);
        person = TCRT5000_Read();
        // 3. 设备控制
        if (light < LIGHT_LOW) Relay_Light_On();
        if (temp > TEMP_MAX)   Relay_Window_On();
        if (person == 0 && IdleCounter() > 600)
            Power_Cut();
        // 4. 显示与上报
        OLED_Show(temp, humi, light, uid);
        ESP8266_Send("T=%d,H=%d,L=%d", temp, humi, light);
        delay_ms(500);
    }
}

4.2 刷卡与阈值加载流程

RC522 通过 SPI 轮询寻卡 → 防冲突 → 选卡 → 读卡，读取 4 字节 UID；本地表中按 UID 匹配保存的温度、湿度、光强阈值；未识别卡片则使用默认阈值，避免误操作。

4.3 温湿度采集流程

MCU 拉低 DHT11 数据线 18 ms → 拉高 30 μs 起始 → DHT11 响应 → 输出 40 bit 数据 → MCU 按位读取，拼成湿度整数、小数、温度整数、小数与校验和。

4.4 红外人员检测流程

TCRT5000 DO 输出在检测到反射时为低，无反射时为高；引入 200 ms 防抖，连续两次状态一致才更新 person 标志，避免偶发干扰。

4.5 Wi-Fi 上报流程

ESP8266 通过 AT 指令连接家庭 Wi-Fi，对接手机 APP 的 TCP 服务；按 "T=%d,H=%d,L=%d,P=%d" 格式打包数据每 500 ms 上报一次，APP 可反向回写阈值。

五、系统实现与测试

5.1 硬件焊接与测试

将各模块按接线总表接好后上电，万用表量 3.3 V/5G 均稳定；SPI2 总线接 RC522 时确认片选 CS 已拉低；ESP8266 单独供电，避免电流拉低主控。

5.2 软件调试

Keil 下用 ST-Link 下载，用串口打印每一步返回的 RC522 UID、DHT11 数据与 ESP8266 AT 应答；逐步调整阈值与防抖时间，确认识卡、显示与远程同步均正常。

5.3 功能测试

测试编号	测试步骤	预期	结论
T1	放入 S50 卡	OLED 显示 UID	通过
T2	DHT11 对着口哈气	湿度上升	通过
T3	手挡 GL5528	光强数值下降	通过
T4	手靠近 TCRT5000	person=1	通过
T5	温度 > 阈值	窗户继电器闭合	通过
T6	无人 10 min	自动断电	通过
T7	APP 远程读数	数据实时刷新	通过

六、总结

本文以 STM32F103C8T6 为主控，设计了智能书房环境监测与控制系统，整合 DHT11、GL5528、TCRT5000、RC522、OLED 与 ESP8266，实现了温湿度、光强、人员检测与个性化阈值控制；通过继电器联动灯光、窗户与通风，配合无人断电节能模式，验证了系统在书房场景下的实用性与可扩展性，可在此基础上拓展 PM2.5、二氧化碳等更多传感器。

七、资料内容完整工程资料（原理图、PCB、代码、元件清单）

八、资料获取方式