Система моніторингу кліматичних параметрів на базі мікроконтролера STM32 з інтервальним оповіщенням користувача

Abstract

Бакалаврська кваліфікаційна робота присвячена актуальній задачі розробки та реалізації автономної системи моніторингу ключових кліматичних параметрів: температури, вологості та атмосферного тиску. Створена система базується на доступній та енергоефективній апаратній платформі з використанням мікроконтролера родини STM32 та забезпечує можливість віддаленого інтервального оповіщення користувача через популярний месенджер Telegram. Практична значущість роботи полягає у створенні гнучкого, недорогого та масштабованого рішення, яке може бути застосоване у різноманітних сферах, включаючи агротехнології, системи «розумного будинку», контроль умов зберігання на складах, а також для освітніх та дослідницьких цілей. У процесі виконання роботи було глибоко досліджено та практично реалізовано методи зчитування та цифрової обробки даних з поширених датчиків температури, вологості (DHT11) та атмосферного тиску (BMP280). Особливу увагу приділено особливостям апаратної та програмної реалізації стандартних послідовних інтерфейсів UART та I?C для забезпечення надійної комунікації між компонентами системи. Ключовим елементом системи є розроблений Telegram-бот, який виступає як зручний та інтуїтивно зрозумілий користувацький інтерфейс для віддаленого інформування та керування [2]. В якості технологічного стеку для створення функціонального прототипу було використано інтегроване середовище розробки STM32CubeIDE з бібліотеками апаратних абстракцій (HAL), що забезпечує високу портативність коду. За комунікаційні можливості відповідає модуль ESP32, програмування якого здійснювалося на базі платформи Arduino з використанням спеціалізованих бібліотек, таких як UniversalTelegramBot для взаємодії з Telegram Bot API та WiFiClientSecure для організації захищеного HTTPS-з’єднання. Локальне відображення даних реалізовано за допомогою стандартного драйвера для символьного дисплея LCD1602. Для досягнення поставленої мети було проведено комплексний огляд існуючих апаратно-програмних рішень у сфері кліматичного моніторингу. Було виконано їх порівняльний аналіз за такими критеріями, як точність вимірювань, вартість компонентів, енергоспоживання, швидкість передачі даних та зручність користувацького інтерфейсу [4]. Структурно робота складається з кількох розділів. У першому розділі наведено теоретичний огляд сучасних датчиків кліматичних параметрів, детально проаналізовано принципи роботи послідовних інтерфейсів UART і I?C, а також розглянуто переваги та недоліки готових комерційних та відкритих рішень з функцією віддаленого оповіщення [1]. У другому розділі представлено обґрунтування вибору апаратних компонентів системи: мікроконтролера STM32, датчиків DHT11 і BMP280, індикатора LCD1602 та модуля ESP32, базуючись на їхніх технічних характеристиках, сумісності та співвідношенні ціна/якість. Третій розділ повністю присвячений розробці програмного забезпечення для обох мікроконтролерів: детально описано алгоритми ініціалізації периферії, зчитування та калібрування показників сенсорів, відображення інформації на LCD, а також організацію передачі даних по UART. Центральною частиною цього розділу є реалізація логіки інтервального надсилання повідомлень у Telegram та механізму обробки команд від користувача [3, 5]. Четвертий розділ містить аналіз потенційних ризиків та заходи з охорони праці та безпеки життєдіяльності під час монтажу й експлуатації електронного пристрою.This Bachelor's Qualification Thesis addresses the relevant task of developing and implementing an autonomous system for monitoring key climate parameters: temperature, humidity, and atmospheric pressure. The created system is based on an accessible and energy-efficient hardware platform using a microcontroller from the STM32 family and provides the capability for remote interval-based user notification via the popular messenger, Telegram. The practical significance of this work lies in the creation of a flexible, inexpensive, and scalable solution that can be applied in various fields, including agricultural technologies, "smart home" systems, storage condition control in warehouses, as well as for educational and research purposes. During the execution of this work, methods for reading and digitally processing data from common temperature and humidity (DHT11) and atmospheric pressure (BMP280) sensors were thoroughly investigated and practically implemented. Special attention was paid to the hardware and software implementation specifics of the standard serial interfaces UART and I?C to ensure reliable communication between the system's components. A key element of the system is the developed Telegram bot, which serves as a convenient and intuitive user interface for remote information and control [2]. The technology stack used to create the functional prototype included the STM32CubeIDE integrated development environment with Hardware Abstraction Layer (HAL) libraries, which ensures high code portability. The communication capabilities are handled by an ESP32 module, programmed using the Arduino platform with specialized libraries such as UniversalTelegramBot for interacting with the Telegram Bot API and WiFiClientSecure for organizing a secure HTTPS connection. Local data display is implemented using a standard driver for the LCD1602 character display. To achieve the set goal, a comprehensive review of existing hardware and software solutions in the field of climate monitoring was conducted. A comparative analysis was performed based on criteria such as measurement accuracy, component cost, power consumption, data transfer speed, and user interface convenience [4]. Structurally, the thesis consists of several sections. The first section provides a theoretical overview of modern climate parameter sensors, a detailed analysis of the operating principles of UART and I?C serial interfaces, and a review of the advantages and disadvantages of off-the-shelf commercial and open-source solutions with remote notification functions [1]. The second section presents the rationale for selecting the hardware components: the STM32 microcontroller, DHT11 and BMP280 sensors, LCD1602 indicator, and ESP32 module, based on their technical characteristics, compatibility, and price-to-quality ratio. The third section is entirely dedicated to the development of software for both microcontrollers: it describes in detail the algorithms for peripheral initialization, reading and calibrating sensor data, displaying information on the LCD, and organizing data transmission via UART. The central part of this section is the implementation of the logic for interval-based messaging in Telegram and the mechanism for processing user commands [3, 5]. The fourth section contains an analysis of potential risks and measures for labor protection and life safety during the installation and operation of the electronic device.