基于STM32设计的森林火灾预警系统(联动控制+SIM800C+华为云IoT)

DS小龙哥-嵌入式技术 2023-07-11 1590

DS小龙哥-嵌入式技术

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描述

1. 功能介绍

随着全球气候变化和人类活动的增加，森林火灾成为了一个严重的环境问题。及早发现和迅速响应火灾事件对于减少火灾的损失至关重要。为了实现对森林火灾的快速预警和联动控制，决定利用华为云IoT物联网平台来搭建一个高效的系统模型。

该系统模型的目标是在检测到森林火灾后，能够快速将火灾信息上报到云平台，并与指定的服务器进行数据报告的交互。同时，系统还能自动向抽水泵发送指令，打开开关以进行抽水灭火操作。通过这样的联动控制系统，可以实现快速响应和减少火灾对森林和生态环境的破坏。

该系统模型的核心是华为云IoT物联网平台，它提供了丰富的功能和服务，包括设备接入、数据采集、消息通信、云端数据存储和分析等。我们可以利用该平台的能力来接收来自火灾检测设备的数据，并通过云端的数据分析和处理来实现火灾预警和联动控制。

当火灾检测设备检测到火灾时，会通过无线通信将火灾信息发送到华为云IoT物联网平台。云平台接收到信息后，会立即进行处理并将火灾报告发送给指定的服务器。服务器可以根据报告中的信息采取相应的措施，如调度抽水泵进行灭火操作。

通过这个系统模型，可以实现对森林火灾的快速预警和联动控制，大大提高了火灾应对的效率和准确性。同时，利用华为云IoT物联网平台的强大功能，可以灵活地扩展和定制系统，以适应不同规模和需求的森林火灾防控工作。

硬件平台介绍:

MCU: STM32F103ZET6

物联网云平台: 华为IOT云平台

气体检测传感器: MQ2-烟雾传感器、MQ135-空气质量检测传感器

火焰检测: 采用火焰检测传感器

抽水机: 采用直流电机模拟水泵，打开开关抽水喷水灭火

上网网卡: 采用GSM模块SIM800C，使用的是物联网专用卡，包年只能上网这种。

与云端服务器的通信协议: 终端设备采用MQTT3.1.1协议与华为云服务器进行登录连接。

温湿度检测传感器: DHT11

供电方式: 电池+太阳能供电

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为了演示联动控制，火警(烟雾)检测装置和灭火(直流电机)装置分为两个独立的设备，分别连接上云端。

火警检测装置连接上物联网服务器之后，可以在服务器上配置数据处理规则，如果烟雾浓度超标，可以自动向灭火装置发送指令，进行灭火操作。服务器收到火警检测装置上传的烟雾浓度、空气质量等数据后，可以向自己的私有服务器转发数据，方便自己服务器收到数据后做分析存储处理，比如: 向指定邮箱发送邮件、手机APP推送通知栏、向指定用户推送短消息提示等等。

2. 创建产品（火警预警装置）

打开官网链接: https://www.huaweicloud.com/s/JeeJqeiBlOe9kSU

（1）选择设备接入IotTDA选项。

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（2）选择免费试用。

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（3）在产品页面选择创建新的产品。

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（4）填入产品信息，创建产品

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（5）选择自己刚才创建的产品，创建数据模型，点击自定义模型

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（6）选择添加属性

这个添加的属性就是设备端上报的数据类型。 比如： MQ2烟雾传感器检测的烟雾数据值类型。

在这个页面上还有一个添加命令的功能，这是用于云端下发指令给设备端使用的。当前这个设备是火警检测装置，只需要上报数据给服务器，不需要下发指令，这里就只需要添加属性就行了。

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根据自己的设备的具体情况填写即可，如果上报的数据有多种类型就创建多个属性。

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3. 创建产品（灭火装置）

创建的流程和上面一样，这是多增加了一个命令下发的功能，方便云端远程控制电机开启和关闭，实现灭火功能。

（1）创建产品

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（2）产品创建完毕之后，添加服务器ID

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（3）添加属性，电机属性是可以读可以写的，范围设置为0和1，只能开关

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（4）添加命令，这个命令用于云端远程向设备下发指令，设备收到指令后可以做出相应的逻辑处理

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接着选择新增输入参数：

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最后点击确定即可。

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现在产品已经创建完毕。

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4. 创建设备（火警预警装置）

（1）在设备页面，选择注册设备，选择自己的对应的产品，设备标识码一般填自己设备的硬件标号。

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（2）设备创建成功之后会弹出弹窗，点击保存并关闭，会自动弹出下载窗口，是个文本文件，存放了密匙信息

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{
     "device_id": "61bacdc02b2aa20288c5a094_QQ1126626497",
     "secret": "1126626497"
 }

5. 创建设备（灭火装置）

流程与上面火警预警装置设备一样的。

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{
     "device_id": "61bad0564d9b020287193be2_QQ1126626497",
     "secret": "1126626497"
 }

6. 生成MQTT协议登录ID和密匙

设备创建完成接来下生成MQTT登录账号、密匙，方便设备登录云端平台。

官网工具地址: https://iot-tool.obs-website.cn-north-4.myhuaweicloud.com/

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填入刚才创建设备时，保存下载文件里的信息，对着弹窗填入，最后生成了ID、用户名、密码参数，用于MQTT协议登录使用。

（1）火警预警装置生成登录参数

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ClientId  61bacdc02b2aa20288c5a094_QQ1126626497_0_0_2021121605
 Username  61bacdc02b2aa20288c5a094_QQ1126626497
 Password  43ed43bcbddc48772694fc2b18ec1112170f4d6cc52fbf1e01401c2ea1748475

（2）灭火装置

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ClientId 61bad0564d9b020287193be2_QQ1126626497_0_0_2021121605
 Username 61bad0564d9b020287193be2_QQ1126626497
 Password 43ed43bcbddc48772694fc2b18ec1112170f4d6cc52fbf1e01401c2ea1748475

7. 上报属性格式与主题订阅格式

产品设备、MQTT登录参数都到位了，接下来需要了解设备向服务器上报数据时，如何上报，格式是怎么样的。

（1）第一个问题是：华为云IoT物联网服务器的IP和端口号是多少？

在总览选项页面，点击多协议接入选项，就能看到了。

IOT

IOT

如果选择MQTT协议接入:

域名是: a161a58a78.iot-mqtts.cn-north-4.myhuaweicloud.com
 如果你的设备不能解析域名，也可以直接填IP地址 121.36.42.100
 端口号: 1883

（2）第二个问题是：发布数据的主题和订阅数据的主题怎么填？

在产品页面，选择自己的产品，进去之后就能看到主题的格式介绍页面了。

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为了方便后续复制粘贴，这里总结下格式：

火警预警装置:

格式: $oc/devices/{device_id}/sys/messages/down
 //订阅主题: 平台下发消息给设备
 $oc/devices/61bacdc02b2aa20288c5a094_QQ1126626497/sys/messages/down
 ​
 ​
 格式: $oc/devices/{device_id}/sys/properties/report
 //设备上报数据
 $oc/devices/61bacdc02b2aa20288c5a094_QQ1126626497/sys/properties/report

灭火装置:

格式: $oc/devices/{device_id}/sys/messages/down
 //订阅主题: 平台下发消息给设备
 $oc/devices/61bad0564d9b020287193be2_QQ1126626497/sys/messages/down
 ​
 ​
 格式: $oc/devices/{device_id}/sys/properties/report
 //设备上报数据
 $oc/devices/61bad0564d9b020287193be2_QQ1126626497/sys/properties/report

（3）第三个问题是：上报属性时，数据格式是什么？

官方文档介绍: https://support.huaweicloud.com/devg-iothub/iot_01_2127.html

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总结下格式: 上报的数据就是JSON格式，一次性可以上传多个属性数据，JSON数组里按照顺序增加即可。

重要的字段含义解释：这两个字段后面的数据需要自己根据自己的设备产品去填充的。

service_id 示设备服务的ID。
 ​
 properties 是设备服务的属性列表，具体字段在设备关联的产品模型中定义。

火警预警装置上传的数据:

{"services": [{"service_id": "MQ2","properties":{"MQ2":100}}]}

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灭火装置上传的数据:

{"services": [{"service_id": "motor","properties":{"motor":1}}]}

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8. 使用MQTT客户端模拟设备测试

（1）登录火警预警装置

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（2）灭火装置登录

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可以看到，设备已经成功登录服务器，完成了数据上报。这也证明服务器端设备创建已经全部OK，正常。

9. 配置设备联动

（1）创建规则

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（2）填写规则信息

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（3）添加触发条件，选择需要处理数据的设备，设置条件：当烟雾浓度大于等于100就触发

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（4）添加执行动作，当烟雾浓度超过100就下发指令给灭火装置

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（3）最后点击创建规则，生效规则

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（4）测试效果

使用两个MQTT客户端分别模拟火警预警装置和灭火装置，当烟雾浓度超过100时，查看灭火装置是否收到云端下发的指令。

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10. 数据转发

如果数据需要转发到其他地方，可以自己创建规则配置。

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11. 硬件设备测试

设备端采用GSM模块SIM800C完成上网功能，主控MCU采用STM32F103ZET6。

任意只要能上网的设备都可以使用当前代码连接服务器，因为当前模拟的是户外设备，只能采用GSM模块上网。

如果是智能家居，屋里小区的设备，有WIFI的可以采用ESP8266这些无线网卡。

项目工程源码： https://download.csdn.net/download/xiaolong1126626497/81993720

1. SIM800C.c

这是SIM800C的配置代码

#include "sim800c.h"
 ​
 /*
 函数功能:向SIM800C模块发送指令
 函数参数:
                 char *cmd  发送的命令
               char *check_data 检测返回的数据
 返回值: 0表示成功 1表示失败
 */
 u8 SIM800C_SendCmd(char *cmd,char *check_data)
 {
    u16 i,j;
    for(i=0;i< 5;i++) //测试的总次数
    {
       USART2_RX_FLAG=0;
       USART2_RX_CNT=0;
             memset(USART2_RX_BUFF,0,sizeof(USART2_RX_BUFF));
             USART_X_SendString(USART2,cmd); //发送指令
       for(j=0;j< 500;j++) //等待的时间(ms单位)
       {
           if(USART2_RX_FLAG)
           {
               USART2_RX_BUFF[USART2_RX_CNT]='\\0';
               if(strstr((char*)USART2_RX_BUFF,check_data))
               {
                   return 0;
               }
               else break;
           }
           delay_ms(20); //一次的时间
       }
    }
    return 1;
 }
 ​
 ​
 /*
 函数  功能：GSM模块初始化检测
 函数返回值：1表示模块检测失败，0表示成功
 */
 u8 SIM800C_InitCheck(void)
 {
       if(SIM800C_SendCmd("AT\\r\\n","OK"))return 1;
       else printf("SIM800模块正常!\\r\\n");
       
         if(SIM800C_SendCmd("ATE0\\r\\n","OK"))return 2;
       else printf("设置模块不回显成功!\\r\\n");
     
         if(SIM800C_SendCmd("AT+CGMI\\r\\n","OK"))return 3;
         else printf("查询制造商名称成功!%s\\r\\n",USART2_RX_BUFF);
     
         if(SIM800C_SendCmd("AT+CGMM\\r\\n","OK"))return 4;
         else printf("查询模块型号成功!%s\\r\\n",USART2_RX_BUFF);
         
       DelayMs(1000);
         DelayMs(1000);
         if(SIM800C_SendCmd("AT+CNUM\\r\\n","+CNUM:"))return 5;
         else printf("获取本机号码成功!%s\\r\\n",USART2_RX_BUFF);
       /* 返回格式如下:
         +CNUM: "","+8613086989413",145,7,4
         OK
         */
         return 0;
 }
 ​
 /*
 函数  功能：GSM模块短信模式设置
 函数返回值：0表示模块设置成功
 */
 u8 SIM800C_SetNoteTextMode(void)
 {
         if(SIM800C_SendCmd("AT+CSCS="GSM"\\r\\n","OK"))return 1;// "GSM"字符集
         else printf("短信GSM字符集设置成功!\\r\\n");
     
       if(SIM800C_SendCmd("AT+CMGF=1\\r\\n","OK"))return 2; //文本模式
         else printf("短信文本模式设置成功!\\r\\n");
         return 0;
 }
 ​
 /*
 函数功能：发送短信
 函数参数：
                     num:电话号码
                     text:短信内容
 函数返回值：0表示发送成功
 */
 u8 SIM800C_SendNote(u8 *num,u8 *text,u16 len)
 {
         char data[50];
         char send_buf[2];
         sprintf(data,"AT+CMGS="%s"\\r\\n",num);
         if(SIM800C_SendCmd(data," >"))return 1; //设置发送的手机号
         USART_X_SendData(USART2,text,len);     //发送短信内容
     
         send_buf[0] = 0x1a;
         send_buf[1] = '\\0';
       if(SIM800C_SendCmd(send_buf,"+CMGS"))return 2; //发送结束符号
         return 0;
 }
 ​
 ​
 /*
 函数功能：NTP网络同步时间
 */
 void SIM800C_NtpUpdate(void)
 {  
      SIM800C_SendCmd("AT+SAPBR=3,1,"Contype","GPRS"\\r\\n","OK");//配置承载场景1
      SIM800C_SendCmd("AT+SAPBR=3,1,"APN","CMNET"\\r\\n","OK");
      SIM800C_SendCmd("AT+SAPBR=1,1\\r\\n","OK");                     //激活一个GPRS上下文
    DelayMs(5);
    SIM800C_SendCmd("AT+CNTPCID=1\\r\\n","OK");                     //设置CNTP使用的CID
      SIM800C_SendCmd("AT+CNTP="202.120.2.101",32\\r\\n","OK");     //设置NTP服务器和本地时区(32时区 时间最准确)
    SIM800C_SendCmd("AT+CNTP\\r\\n","+CNTP: 1");                    //同步网络时间
      printf("同步网络时间:%s\\r\\n",USART2_RX_BUFF);
 }
 ​
 ​
 /*
 函数功能：GPRS数据通信初始化
 返 回 值： 0表示成功
 */
 u8 SIM800C_GPRS_Init(void)
 {
      SIM800C_SendCmd("AT+CIPCLOSE=1\\r\\n","CLOSE OK");   //关闭连接
      SIM800C_SendCmd("AT+CIPSHUT\\r\\n","SHUT OK");       //关闭移动场景 
      if(SIM800C_SendCmd("AT+CGCLASS="B"\\r\\n","OK"))return 1;              //设置GPRS移动台类别为B,支持包交换和数据交换 
      if(SIM800C_SendCmd("AT+CGDCONT=1,"IP","CMNET"\\r\\n","OK"))return 2;//设置PDP上下文,互联网接协议,接入点等信息
      if(SIM800C_SendCmd("AT+CGATT=1\\r\\n","OK"))return 3;                    //附着GPRS业务
      if(SIM800C_SendCmd("AT+CIPCSGP=1,"CMNET"\\r\\n","OK"))return 4;        //设置为GPRS连接模式
      if(SIM800C_SendCmd("AT+CIPHEAD=1\\r\\n","OK"))return 5;                  //设置接收数据显示IP头(方便判断数据来源)
      return 0;
 }
 ​
 /*
 函数功能: 连接TCP服务器
 函数参数: 
                 ipaddr:ip地址
                 port:端口 
 返 回 值: 0表示成功,其他值表示失败
 */
 u8 SIM800C_Connect_TCP_Server(char *ipaddr,char *port)
 {
      char cmd_buff[100];
      SIM800C_SendCmd("AT+CIPCLOSE=1\\r\\n","CLOSE OK");   //关闭连接
      SIM800C_SendCmd("AT+CIPSHUT\\r\\n","SHUT OK");       //关闭移动场景 
      sprintf(cmd_buff,"AT+CIPSTART="TCP","%s","%s"\\r\\n",ipaddr,port);
      if(SIM800C_SendCmd(cmd_buff,"OK"))return 1;        //发起连接
      return 0;
 }
 ​
 ​
 /*
 函数功能: TCP客户端模式下发送数据
 返 回 值： 0表示成功,其他值表示失败
 */
 u8 SIIM800C_TCP_SendData(u8 *data,u32 len)
 {
      char send_buf[2];
     //准备发送数据
      if(SIM800C_SendCmd("AT+CIPSEND\\r\\n"," >")==0)
      {
           //发送数据
             USART_X_SendData(USART2,data,len);
           //发送结束符号
           DelayMs(50);
           send_buf[0] = 0x1a;
           send_buf[1] = '\\0';
           if(SIM800C_SendCmd(send_buf,"SEND OK"))return 2;
           else  return 0;
      }
      return 1;
 }

2. adc.c

这是烟雾传感器的ADC通道配置代码。

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////   
 //  功能描述   : 智能环境检测系统
 //   时间      : 20190605
 //   版本      : v3.3
 //             版权所有，盗版必究。
 //Copyright(C) DS小龙哥 2016 - 2020
 ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 #include "adc.h"
 ​
 /*
 函数功能: ADC1的初始化
 规则通道方式
 */
 void ADC1_Init(void)
 {
       /*1. 配置ADC采集输入的IO口*/
     RCC- >APB2ENR |= 1 < < 3;//PB
     GPIOB- >CRL &= 0xFFFFFFF0;
     GPIOB- >CRL |= 0x00000000;//配置PB0为模拟输入模式
     
     /*2.配置ADC1时钟*/
     RCC- >APB2ENR|=1< < 9;         //开启ADC1时钟
     RCC- >APB2RSTR|=1< < 9;        //开启复位时钟
     RCC- >APB2RSTR&=~(1< < 9); //关闭复位时钟
         
     /*3. 配置ADC的预分频器*/
     RCC- >CFGR&=~(0x3< < 14); //清空预分频
     RCC- >CFGR|=0x2< < 14;    //12MHZ
     
     /*4. 配置ADC CR1基本寄存器*/
     ADC1- >CR1&=~(0xF< < 16); //0000：独立模式
     ADC1- >CR2|=1< < 23;      //1：启用温度传感器和VREFINT。
     //ADC1- >CR2|=1< < 22;    //1：开始转换规则通道。
     ADC1- >CR2|=1< < 20;      //1：使用外部事件启动转换
     ADC1- >CR2|=0x7< < 17;    //111： SWSTART
     ADC1- >CR2&=~(1< < 11);   //0：右对齐；
     ADC1- >CR2&=~(1< < 1);    //0：单次转换模式；
     
     /*5. 配置ADC规则序列寄存器*/
     ADC1- >SQR1&=~(0xF< < 20); //0000： 1个转换
     ADC1- >SMPR2|=0x7< < 3;    //配置通道1 111： 239.5周期
     ADC1- >SMPR1|=0x7< < 18;   //配置通道16 111： 239.5周期
         
     ADC1- >CR2|=1< < 0;        //1：开启ADC并启动转换。
     ADC1- >CR2|=1< < 3;        //1：初始化校准寄存器。
     ADC1- >CR2|=1< < 2;        //1：开始校准
     while(ADC1- >CR2&1< < 2){} //等待校准结束
 }
 ​
 ​
 /*
 函数功能: 获取指定通道的ADC值
 函数参数: u8 ch  通道号
 */
 u16 ADC1_GetCHx(u8 ch)
 {
         ADC1- >SQR3&=0xFFFFFFE0;   //00000
       ADC1- >SQR3|=ch< < 0;        //规则序列中的第1个转换
         ADC1- >CR2|=1< < 22;         //1：开始转换规则通道。
         while(!(ADC1- >SR&1< < 1)){} //等待转换完成
         return ADC1- >DR;          //返回接收到的数据值
 }

3. DHT11.c

这是温湿度检测代码。

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////   
 //  功能描述   : 智能环境检测系统
 //   时间      : 20190605
 //   版本      : v3.3
 //             版权所有，盗版必究。
 //Copyright(C) DS小龙哥 2016 - 2020
 ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 #include "dht11.h"
 #include "delay.h"
 ​
 /*
 复位DHT1
 */
 void DHT11_Rst(void)       
 {                 
       DHT11_IO_OUT();   //SET OUTPUT
     DHT11_DQ_OUT=0;     //拉低DQ
     delay_ms(20);       //拉低至少18ms
     DHT11_DQ_OUT=1;     //DQ=1 
       delay_us(30);     //主机拉高20~40us
 }
 ​
 /*
 等待DHT11的回应
 返回1:未检测到DHT11的存在
 返回0:存在
 */
 u8 DHT11_Check(void)       
 {   
     u8 retry=0;
     DHT11_IO_IN();//SET INPUT    
     while (DHT11_DQ_IN&&retry< 100)//DHT11会拉低40~80us
     {
         retry++;
         delay_us(1);
     };   
     if(retry >=100)return 1;
     else retry=0;
     while (!DHT11_DQ_IN&&retry< 100)//DHT11拉低后会再次拉高40~80us
     {
         retry++;
         delay_us(1);
     };
     if(retry >=100)return 1;     
     return 0;
 }
 ​
 /*
 从DHT11读取一个位
 返回值：1/0
 */
 u8 DHT11_Read_Bit(void)              
 {
     u8 retry=0;
     while(DHT11_DQ_IN&&retry< 100)//等待变为低电平
     {
         retry++;
         delay_us(1);
     }
     retry=0;
     while(!DHT11_DQ_IN&&retry< 100)//等待变高电平
     {
         retry++;
         delay_us(1);
     }
     delay_us(40);//等待40us
     if(DHT11_DQ_IN)return 1;
     else return 0;         
 }
 ​
 ​
 /*
 从DHT11读取一个字节
 返回值：读到的数据
 */
 u8 DHT11_Read_Byte(void)    
 {        
   u8 i,dat;
   dat=0;
     for(i=0;i< 8;i++) 
     {
         dat< <=1; 
         dat|=DHT11_Read_Bit();
   }                         
   return dat;
 }
 ​
 /*
 从DHT11读取一次数据
 temp:温度值(范围:0~50°)
 humi:湿度值(范围:20%~90%)
 返回值：0,正常;1,读取失败
 */
 u8 DHT11_Read_Data(u8 *temp,u8 *humi)    
 {        
     u8 buf[5];
     u8 i;
     DHT11_Rst();
     if(DHT11_Check()==0)
     {
         for(i=0;i< 5;i++)//读取40位数据
         {
             buf[i]=DHT11_Read_Byte();
         }
         if((buf[0]+buf[1]+buf[2]+buf[3])==buf[4])
         {
             *humi=buf[0];
             *temp=buf[2];
         }
     }else return 1;
     return 0;       
 }
 ​
 ​
 /*
 初始化DHT11的IO口 DQ 同时检测DHT11的存在
 返回1:不存在
 返回0:存在  
 */       
 u8 DHT11_Init(void)
 {
     RCC- >APB2ENR|=1< < 2;    //使能PORTG口时钟 
     GPIOA- >CRL&=0XFF0FFFFF;//PORTG.11 推挽输出
     GPIOA- >CRL|=0X00300000;
     GPIOA- >ODR|=1< < 5;      //输出1                    
     DHT11_Rst();
     return DHT11_Check();
 }

　　审核编辑：汤梓红

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