煤礦開采作業中瓦斯爆炸等安全隱患嚴重，針對這一問題，設計了基于STM32的礦井環境監測系統。該系統實時監測瓦斯濃度、溫度、火情、粉塵等環境參數，自動控制除塵、滅火、通風等設備，保障礦井安全。通過WiFi傳輸數據至機智云物聯網平臺，支持手機APP遠程監控與操作，提升應急響應和管理效率。

PART 01
系統總體結構

系統實現了對礦井內甲烷氣體體積分數、粉塵濃度、火焰信號及溫濕度等關鍵參數的實時采集與分析；并通過預設的自動控制策略觸發聯動設備，實現安全隱患的快速響應與主動防控。同時，支持數據遠程傳輸至云端平臺，并通過機智云APP提供實時監控、報警及遠程操控功能，為礦井安全管理提供高效、可靠的技術支撐。系統總體結構如圖1所示。

PART 02
系統詳細設計

2.1 總體設計

礦井作業環境監測系統啟動后，依次執行以下流程：首先，完成STM32主控芯片的時鐘樹配置、中斷控制器初始化及GPIO端口功能定義；隨后，分別對OLED顯示模塊、MQ-2/MQ-4氣體傳感器陣列、DHT11溫濕度傳感器、ESP8266 WiFi通信模塊及繼電器控制單元進行外設驅動加載。進入主循環后，優先檢測物理按鍵輸入狀態：若檢測到閾值設置觸發信號，OLED將分屏顯示氣體/溫度雙閾值參數，用戶可通過組合按鍵實現閾值調節與E2PROM存儲；若無設置請求，則直接執行環境參數采集任務。

圖1 礦業作業環境檢測系統結構

系統采用優先級檢測機制，首先通過ADC通道獲取可燃氣體體積分數：當檢測值超過閾值時，立即激活由蜂鳴器與LED組成的多級聲光報警系統，通過MQTT協議向云端推送報警代碼，同時驅動繼電器執行燃氣閥門閉鎖、通風設備啟停等安全聯動控制；若氣體體積分數處于安全范圍，則通過單總線協議獲取DHT11溫度數據，當溫度異常時觸發散熱系統并發送分級預警信號。

所有環境參數均以1 Hz頻率刷新至OLED交互界面，并通過JSON格式封裝后上傳至機智云AIoT平臺。系統內置指令緩沖隊列，可實時響應遠程控制指令（如設備強制啟停），執行完畢后重新進入監測循環，形成“環境感知-數據分析-風險處置-信息同步”的完整閉環，實現礦井作業環境的智能化監測與主動式安全防護。系統總體流程如圖2所示。

圖2 礦井作業環境監測系統總體流程

2.2 溫度監測設計

本文選用DHT11溫濕度傳感器模塊，采用三引腳封裝（VCC/DATA/GND),DATA引腳通過上拉電阻連接至主控GPIO，在單總線協議下數據線與主控嚴格共地。傳感器供電范圍為3.3～5.5 V，上電后需經過預熱期以穩定內部晶振，通信時序要求系統具備毫秒級中斷響應能力。為防止信號干擾，PCB布局時數據線長度需小于20 cm，并通過施密特觸發器進行波形整形。

溫度監測流程始于傳感器驅動初始化。主控單元通過單總線協議向DHT11發送啟動脈沖，完成時序同步與預熱準備。持續監測傳感器響應狀態，若未收到低電平應答信號，則重新發送同步脈沖直至建立有效通信。

成功獲取原始數據后，采用奇偶校驗機制驗證數據完整性：若校驗失敗，則自動重發啟動信號，直至獲取有效數據包；若校驗通過，則解析數據幀，提取高8位溫度整數部分和低8位小數部分，經單位換算后輸出標準溫度值。溫度監測的流程如圖3所示。

圖3 溫度監測流程

2.3 甲烷體積分數監測設計

MQ-4甲烷傳感器的模擬輸出端接入主控的ADC通道，采用TL431基準源為其提供2.5 V的參考電壓。在硬件設計方面，設置了兩級RC濾波電路，用于抑制高頻噪聲；傳感器的加熱器由MOS管驅動，并采用獨立的5 V電源供電。ADC的采樣率設置為1 MS/s，同時通過電壓跟隨器實現阻抗匹配。此外，傳感器配備可調的負載電阻，以優化其靈敏度。

烷監測流程啟動時，主控單元首先配置ADC采樣精度與通道參數，通過定時器觸發模式啟動模數轉換。獲取原始ADC值后，采用加權滑動平均濾波算法抑制信號噪聲，并結合溫度補償系數對原始數據進行校正?；趥鞲衅鳂硕ㄇ€進行線性插值計算，將濾波后的數字量轉換為體積分數值。當體積分數值超過三級報警閾值時，更新狀態寄存器報警標志位，觸發相應的應急響應等級；若處于安全范圍則復位報警狀態，最終通過DMA通道將處理結果傳輸至顯示模塊。甲烷監測流程如圖4所示。

圖4監測流程圖

2.4 舵機執行器模塊

SG90舵機的控制線連接至高級定時器的TIM1＿CH1,PWM波形需滿足規定的周期及高電平脈寬要求。在硬件設計上，設置了光耦隔離電路，以防止反向電動勢干擾；舵機電源采用LM2596降壓模塊，該模塊能夠獨立提供6 V/2 A的驅動能力。將死區時間配置為500 ns，以避免H橋直通同時，通過GPIO接口獲取機械限位開關的反饋信號，以此監測舵機的位置狀態。

在舵機控制流程初始化階段，需對高級定時器的PWM輸出模式進行配置，設定基準頻率為50 Hz并校準死區時間。角度控制采用脈寬映射方式，通過調整PWM的占空比，實現0～180°范圍內的精確轉角。執行機構動作包含兩個穩態首先驅動舵機轉動至安全位置（90°）并維持500 ms，以確保機械到位；隨后復位至待機位置（0°），至此完成設備狀態切換的完整控制周期。舵機執行器流程如圖5所示。

2.5 OLED顯示模塊

0.96 英寸的SSD1306 OLED顯示屏通過SPI接口連接主控，其引腳構成四線制通信鏈路。顯存映射采用頁地址模式，通過電位器調節VCOMH電壓，進而改變硬件對比度。背光電路由PWM控制亮度等級，在設置數據刷新速率時需注意匹配DMA突發傳輸模式。

圖5 舵機執行器流程

OLED顯示流程采用雙緩沖機制：初始化階段加載通信協議，配置像素顯存結構；數據刷新時，首先清除當前幀緩沖區，根據數據特性選擇ASCII字符集或自定義字庫；采用行列掃描算法將浮點型傳感器數據轉換為定點顯示格式，通過DMA傳輸實現屏幕區域的無閃爍局部更新，最終在垂直消隱期間執行顯存整體刷寫，以確保顯示內容的實時性與連續性。OLED顯示流程如圖6所示。

圖6 OLED顯示流程

2.6 ESP8266 WiFi模塊設計

ESP8266 WiFi模塊通過UART2與主控通信，CH＿PD使能引腳通過10 kΩ上拉電阻連接至3.3 V電源。在硬件設計方面，通過AP2112K-3.3 V LDO穩壓器持續提供800 mA電流；同時，為RF部分預留π型匹配網絡。天線區域遵守1.6 mm凈空規則，GPIO0/GPIO2通過跳線帽設置啟動模式，RST引腳連接主控的PB0引腳，以實現看門狗聯動復位功能。

ESP8266 WiFi模塊初始化后，首先嘗試建立網絡連接，若連接失敗，則觸發提示并進入循環遞減重試計數，直至剩余次數歸零或連接成功；若連接正常，則與目標模塊建立通信鏈路。校驗連接狀態失敗時同樣進入重試流程，成功時則進入數據傳輸階段。通過發送請求指令并接收遠程響應數據，完成雙向通信交互，結束本次通信周期。數據通信流程如圖7所示。

圖7 ESP8266 WIFI模塊數據通信流程

PART 03

數據云傳輸設計

3.1 機智云手機APP調試介紹

機智云是專注于物聯網與云服務的開發平臺，通過提供一站式智能硬件開發及全生命周期服務，以自助工具、開放SDK/API簡化開發流程，降低技術門檻與成本，助力開發者快速實現產品智能化升級并連接終端用戶。本設計則通過WiFi模塊采集甲烷體積分數、火情、粉塵濃度、溫度等數據并上傳至機智云平臺，其設備接入流程如圖8所示。

圖8 機智云設備接入流程

3.2 開發流程及步驟

機智云開發流程主要分為產品創建與功能配置、硬件集成與移動端部署兩大階段。首先，需注冊機智云賬號并創建產品，選擇自定義方案并配置通信參數。通過標準化引用或自定義創建兩種方式定義數據點，最終生成包含環境監測開關、預警調節、安全狀態顯示等功能的APP交互界面。完成邏輯配置后，生成MCU SDK工程，通過下載中心補充傳感器驅動文件，在軟件開發環境中集成溫濕度傳感器、甲烷傳感器等硬件的驅動代碼，最終通過串口工具燒錄至開發板。

移動端通過機智云APP實現設備聯網：在ESP8266模塊配網模式下，采用熱點配網連接熱點，成功后可操作APP內的環境控制系統，實時查看溫度、瓦斯含量等安全數據，完整實現礦井監測系統的無線控制與預警功能。最終形成的礦井作業環境監測APP界面示意圖如圖9所示。

圖9 APP界面示意圖

PART 04

結語

基于STM32的礦井環境監測系統，創新性地提升了礦井安全監測技術。通過實時監測甲烷濃度、溫度、火情和粉塵等數據，系統能夠有效預防安全事故，并自動調節相關設備，確保礦井安全。同時，WiFi無線傳輸技術和云平臺的應用，使得監測者可通過APP遠程操作，顯著提高應急響應速度與管理效率。