基于STM32的矿井作业环境监测系统的设计与实现

煤矿开采作业中瓦斯爆炸等安全隐患严重，针对这一问题，设计了基于STM32的矿井环境监测系统。该系统实时监测瓦斯浓度、温度、火情、粉尘等环境参数，自动控制除尘、灭火、通风等设备，保障矿井安全。通过WiFi传输数据至机智云物联网平台，支持手机APP远程监控与操作，提升应急响应和管理效率。

PART 01
系统总体结构
 

系统实现了对矿井内甲烷气体体积分数、粉尘浓度、火焰信号及温湿度等关键参数的实时采集与分析；并通过预设的自动控制策略触发联动设备，实现安全隐患的快速响应与主动防控。同时，支持数据远程传输至云端平台，并通过机智云APP提供实时监控、报警及远程操控功能，为矿井安全管理提供高效、可靠的技术支撑。系统总体结构如图1所示。

 

PART 02
系统详细设计

2.1 总体设计

 

矿井作业环境监测系统启动后，依次执行以下流程：首先，完成STM32主控芯片的时钟树配置、中断控制器初始化及GPIO端口功能定义；随后，分别对OLED显示模块、MQ-2/MQ-4气体传感器阵列、DHT11温湿度传感器、ESP8266 WiFi通信模块及继电器控制单元进行外设驱动加载。进入主循环后，优先检测物理按键输入状态：若检测到阈值设置触发信号，OLED将分屏显示气体/温度双阈值参数，用户可通过组合按键实现阈值调节与E2PROM存储；若无设置请求，则直接执行环境参数采集任务。

 

图1 矿业作业环境检测系统结构

 

系统采用优先级检测机制，首先通过ADC通道获取可燃气体体积分数：当检测值超过阈值时，立即激活由蜂鸣器与LED组成的多级声光报警系统，通过MQTT协议向云端推送报警代码，同时驱动继电器执行燃气阀门闭锁、通风设备启停等安全联动控制；若气体体积分数处于安全范围，则通过单总线协议获取DHT11温度数据，当温度异常时触发散热系统并发送分级预警信号。
 

所有环境参数均以1 Hz频率刷新至OLED交互界面，并通过JSON格式封装后上传至机智云AIoT平台。系统内置指令缓冲队列，可实时响应远程控制指令（如设备强制启停），执行完毕后重新进入监测循环，形成“环境感知-数据分析-风险处置-信息同步”的完整闭环，实现矿井作业环境的智能化监测与主动式安全防护。系统总体流程如图2所示。

图2 矿井作业环境监测系统总体流程

 

2.2 温度监测设计
 

本文选用DHT11温湿度传感器模块，采用三引脚封装（VCC/DATA/GND),DATA引脚通过上拉电阻连接至主控GPIO，在单总线协议下数据线与主控严格共地。传感器供电范围为3.3～5.5 V，上电后需经过预热期以稳定内部晶振，通信时序要求系统具备毫秒级中断响应能力。为防止信号干扰，PCB布局时数据线长度需小于20 cm，并通过施密特触发器进行波形整形。
 

温度监测流程始于传感器驱动初始化。主控单元通过单总线协议向DHT11发送启动脉冲，完成时序同步与预热准备。持续监测传感器响应状态，若未收到低电平应答信号，则重新发送同步脉冲直至建立有效通信。

 

成功获取原始数据后，采用奇偶校验机制验证数据完整性：若校验失败，则自动重发启动信号，直至获取有效数据包；若校验通过，则解析数据帧，提取高8位温度整数部分和低8位小数部分，经单位换算后输出标准温度值。温度监测的流程如图3所示。

 

图3 温度监测流程

 

2.3 甲烷体积分数监测设计

 

MQ-4甲烷传感器的模拟输出端接入主控的ADC通道，采用TL431基准源为其提供2.5 V的参考电压。在硬件设计方面，设置了两级RC滤波电路，用于抑制高频噪声；传感器的加热器由MOS管驱动，并采用独立的5 V电源供电。ADC的采样率设置为1 MS/s，同时通过电压跟随器实现阻抗匹配。此外，传感器配备可调的负载电阻，以优化其灵敏度。
 

烷监测流程启动时，主控单元首先配置ADC采样精度与通道参数，通过定时器触发模式启动模数转换。获取原始ADC值后，采用加权滑动平均滤波算法抑制信号噪声，并结合温度补偿系数对原始数据进行校正。基于传感器标定曲线进行线性插值计算，将滤波后的数字量转换为体积分数值。当体积分数值超过三级报警阈值时，更新状态寄存器报警标志位，触发相应的应急响应等级；若处于安全范围则复位报警状态，最终通过DMA通道将处理结果传输至显示模块。甲烷监测流程如图4所示。

图4监测流程图

 

2.4 舵机执行器模块

 

SG90舵机的控制线连接至高级定时器的TIM1＿CH1,PWM波形需满足规定的周期及高电平脉宽要求。在硬件设计上，设置了光耦隔离电路，以防止反向电动势干扰；舵机电源采用LM2596降压模块，该模块能够独立提供6 V/2 A的驱动能力。将死区时间配置为500 ns，以避免H桥直通同时，通过GPIO接口获取机械限位开关的反馈信号，以此监测舵机的位置状态。

 

在舵机控制流程初始化阶段，需对高级定时器的PWM输出模式进行配置，设定基准频率为50 Hz并校准死区时间。角度控制采用脉宽映射方式，通过调整PWM的占空比，实现0～180°范围内的精确转角。执行机构动作包含两个稳态首先驱动舵机转动至安全位置（90°）并维持500 ms，以确保机械到位；随后复位至待机位置（0°），至此完成设备状态切换的完整控制周期。舵机执行器流程如图5所示。
 

2.5 OLED显示模块
 

0.96 英寸的SSD1306 OLED显示屏通过SPI接口连接主控，其引脚构成四线制通信链路。显存映射采用页地址模式，通过电位器调节VCOMH电压，进而改变硬件对比度。背光电路由PWM控制亮度等级，在设置数据刷新速率时需注意匹配DMA突发传输模式。

 

图5 舵机执行器流程
 

OLED显示流程采用双缓冲机制：初始化阶段加载通信协议，配置像素显存结构；数据刷新时，首先清除当前帧缓冲区，根据数据特性选择ASCII字符集或自定义字库；采用行列扫描算法将浮点型传感器数据转换为定点显示格式，通过DMA传输实现屏幕区域的无闪烁局部更新，最终在垂直消隐期间执行显存整体刷写，以确保显示内容的实时性与连续性。OLED显示流程如图6所示。

 

图6 OLED显示流程
 

2.6 ESP8266 WiFi模块设计

 

ESP8266 WiFi模块通过UART2与主控通信，CH＿PD使能引脚通过10 kΩ上拉电阻连接至3.3 V电源。在硬件设计方面，通过AP2112K-3.3 V LDO稳压器持续提供800 mA电流；同时，为RF部分预留π型匹配网络。天线区域遵守1.6 mm净空规则，GPIO0/GPIO2通过跳线帽设置启动模式，RST引脚连接主控的PB0引脚，以实现看门狗联动复位功能。

 

ESP8266 WiFi模块初始化后，首先尝试建立网络连接，若连接失败，则触发提示并进入循环递减重试计数，直至剩余次数归零或连接成功；若连接正常，则与目标模块建立通信链路。校验连接状态失败时同样进入重试流程，成功时则进入数据传输阶段。通过发送请求指令并接收远程响应数据，完成双向通信交互，结束本次通信周期。数据通信流程如图7所示。

 

图7 ESP8266 WIFI模块数据通信流程

 

PART 03

数据云传输设计

 

3.1 机智云手机APP调试介绍
 

机智云是专注于物联网与云服务的开发平台，通过提供一站式智能硬件开发及全生命周期服务，以自助工具、开放SDK/API简化开发流程，降低技术门槛与成本，助力开发者快速实现产品智能化升级并连接终端用户。本设计则通过WiFi模块采集甲烷体积分数、火情、粉尘浓度、温度等数据并上传至机智云平台，其设备接入流程如图8所示。

 

图8 机智云设备接入流程

 

3.2 开发流程及步骤

 

机智云开发流程主要分为产品创建与功能配置、硬件集成与移动端部署两大阶段。首先，需注册机智云账号并创建产品，选择自定义方案并配置通信参数。通过标准化引用或自定义创建两种方式定义数据点，最终生成包含环境监测开关、预警调节、安全状态显示等功能的APP交互界面。完成逻辑配置后，生成MCU SDK工程，通过下载中心补充传感器驱动文件，在软件开发环境中集成温湿度传感器、甲烷传感器等硬件的驱动代码，最终通过串口工具烧录至开发板。

 

移动端通过机智云APP实现设备联网：在ESP8266模块配网模式下，采用热点配网连接热点，成功后可操作APP内的环境控制系统，实时查看温度、瓦斯含量等安全数据，完整实现矿井监测系统的无线控制与预警功能。最终形成的矿井作业环境监测APP界面示意图如图9所示。
 

图9 APP界面示意图

 

PART 04

结语

 

基于STM32的矿井环境监测系统，创新性地提升了矿井安全监测技术。通过实时监测甲烷浓度、温度、火情和粉尘等数据，系统能够有效预防安全事故，并自动调节相关设备，确保矿井安全。同时，WiFi无线传输技术和云平台的应用，使得监测者可通过APP远程操作，显著提高应急响应速度与管理效率。