項目開發(fā)背景

隨著現(xiàn)代中藥的廣泛應用，中藥材的存儲環(huán)境對其質(zhì)量有著至關重要的影響。溫濕度、煙霧、火災等環(huán)境因素，若不加以控制，將會導致中藥材失效或變質(zhì)。因此，設計一個基于單片機的中藥存放環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)顯得尤為重要。該系統(tǒng)通過實時監(jiān)測溫濕度、煙霧濃度、火災情況等環(huán)境參數(shù)，確保中藥存放環(huán)境處于適宜的狀態(tài)，從而保證中藥材的品質(zhì)，減少因環(huán)境問題引發(fā)的損失。

本項目基于STM32F103C8T6單片機作為核心控制單元，通過多種傳感器對環(huán)境進行實時采集，并通過液晶顯示屏和Wi-Fi無線通訊將監(jiān)測數(shù)據(jù)展示給用戶，達到環(huán)境預警和安全保障的目的。

設計實現(xiàn)的功能

1. 1. 溫濕度采集與監(jiān)控 ：使用DHT11溫濕度傳感器實時監(jiān)控中藥存放房間的溫度和濕度，確保溫濕度符合要求。
2. 2. 煙霧監(jiān)測 ：通過煙霧傳感器檢測存放環(huán)境中的煙霧濃度，及時發(fā)現(xiàn)火災隱患。
3. 3. 火災監(jiān)測 ：利用火災傳感器檢測中藥存放環(huán)境中是否有火災發(fā)生，保證環(huán)境安全。
4. 4. 環(huán)境預警 ：設置溫濕度、煙霧、火災等閾值，當超過設定值時，系統(tǒng)自動觸發(fā)警報（蜂鳴器），提示用戶注意。
5. 5. 緊急處理機制 ：當溫度、濕度、煙霧或火災參數(shù)超標時，系統(tǒng)自動啟動排氣通道進行換氣或散熱處理。
6. 6. 數(shù)據(jù)展示與實時監(jiān)控 ：通過液晶顯示屏顯示當前環(huán)境數(shù)據(jù)，提供溫度、濕度、煙霧濃度、火災監(jiān)測結果等信息。
7. 7. 手機端監(jiān)控與管理 ：通過Wi-Fi模塊實現(xiàn)手機APP與設備之間的通信，使用戶可以在手機端查看實時數(shù)據(jù)并進行遠程監(jiān)控。
8. 8. 數(shù)據(jù)存儲與歷史記錄 ：監(jiān)測數(shù)據(jù)可存儲并備份，便于后期查閱和分析，確保數(shù)據(jù)的長期有效性。

項目硬件模塊組成

1. 1. 主控芯片 STM32F103C8T6
      作為本系統(tǒng)的核心控制單元，STM32F103C8T6具有豐富的I/O口，支持多種外設接口（如SPI、I2C、USART等），能夠滿足傳感器的數(shù)據(jù)采集、處理和通信要求。
2. 2. DHT11 溫濕度傳感器
      用于實時采集存儲環(huán)境的溫度和濕度數(shù)據(jù)，輸出數(shù)字信號，通過單片機讀取數(shù)據(jù)進行處理。
3. 3. 煙霧傳感器
      該傳感器能夠檢測空氣中的煙霧濃度，通過模擬輸出提供實時的煙霧濃度數(shù)據(jù)。
4. 4. 火災傳感器
      用于檢測火災發(fā)生的初期征兆，如溫度劇增、火焰感應等。輸出信號通過單片機讀取，用于判斷是否有火災發(fā)生。
5. 5. 蜂鳴器
      當環(huán)境參數(shù)超過設定閾值時，蜂鳴器發(fā)出警報聲音，提醒用戶注意。
6. 6. 排氣通道控制模塊
      該模塊用于控制中藥存儲房的排氣系統(tǒng)，系統(tǒng)可根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)自動開啟排氣口進行散熱或通風。
7. 7. LCD液晶顯示屏（1602或類似）
      用于顯示當前監(jiān)測到的溫度、濕度、煙霧濃度、火災報警等數(shù)據(jù)，提供直觀的實時反饋。
8. 8. Wi-Fi模塊（如ESP8266）
      通過Wi-Fi模塊與手機APP連接，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控和管理。
9. 9. 電源管理模塊
      提供系統(tǒng)穩(wěn)定的電源，支持單片機及各個模塊的工作。

設計思路

總體架構

本系統(tǒng)的設計包括硬件和軟件兩大部分，硬件部分由STM32F103C8T6單片機作為控制中心，外圍集成了多種傳感器用于環(huán)境數(shù)據(jù)采集，包括溫濕度傳感器、煙霧傳感器、火災傳感器等，同時利用LCD液晶屏實時顯示數(shù)據(jù)，并通過Wi-Fi模塊實現(xiàn)手機端的數(shù)據(jù)訪問。

在軟件部分，首先要實現(xiàn)對各個傳感器的數(shù)據(jù)讀取和處理，并對數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控。其次，設置閾值，當環(huán)境數(shù)據(jù)超過設定的閾值時，觸發(fā)報警機制（蜂鳴器和排氣通道）。最后，通過Wi-Fi將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾CAPP，用戶可以遠程查看和管理數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)采集與處理

1. 1. 溫濕度采集 ：通過DHT11傳感器讀取溫濕度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸給單片機進行處理。
2. 2. 煙霧采集 ：通過煙霧傳感器讀取煙霧濃度數(shù)據(jù)，并在程序中進行轉(zhuǎn)換和閾值判斷。
3. 3. 火災采集 ：通過火災傳感器獲取火災報警信號，判斷是否發(fā)生火災。

環(huán)境監(jiān)測與預警

當溫濕度、煙霧濃度或火災傳感器的讀數(shù)超過預設閾值時，系統(tǒng)會觸發(fā)警報并啟動相應的緊急處理機制，例如開啟蜂鳴器警告和自動啟動排氣系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)存儲與歷史記錄

通過STM32F103C8T6的內(nèi)存或外接存儲器（如SD卡）保存歷史數(shù)據(jù)，方便后期查詢和分析。

無線通訊

通過Wi-Fi模塊實現(xiàn)系統(tǒng)與手機端的通信，手機APP將實時顯示溫濕度、煙霧、火災等監(jiān)測數(shù)據(jù)，確保用戶可以遠程掌握存儲環(huán)境狀況。

系統(tǒng)功能總結

使用的模塊的技術詳情介紹

1. DHT11 溫濕度傳感器

• ? 工作原理 ：DHT11通過內(nèi)置的溫濕度感應元件來測量環(huán)境的溫度和濕度。它通過單總線協(xié)議與單片機進行數(shù)據(jù)通信。
• ? 技術參數(shù)：
  • ? 溫度測量范圍：0℃到50℃
  • ? 濕度測量范圍：20%到90%
  • ? 精度：溫度±2℃，濕度±5%

2. 煙霧傳感器

• ? 工作原理 ：煙霧傳感器通過對空氣中氣體的吸收與反射變化，檢測煙霧濃度。輸出模擬信號，可通過ADC接口輸入單片機。
• ? 技術參數(shù)：
  • ? 輸出信號：模擬電壓信號
  • ? 檢測濃度：300-1000ppm煙霧

3. 火災傳感器

• ? 工作原理 ：火災傳感器通過檢測環(huán)境溫度變化或火焰的存在來判斷是否發(fā)生火災，常用紅外線火焰?zhèn)鞲衅骰驘崦?a target="_blank">電阻。
• ? 技術參數(shù)：
  • ? 檢測溫度范圍：30℃-50℃
  • ? 檢測方式：紅外或熱敏電阻

4. Wi-Fi模塊 (ESP8266)

• ? 工作原理 ：ESP8266通過UART接口與單片機通信，實現(xiàn)Wi-Fi功能，能夠?qū)h(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送至云平臺或手機APP。
• ? 技術參數(shù)：
  • ? 支持802.11b/g/n Wi-Fi標準
  • ? 支持TCP/IP協(xié)議

STM32代碼設計

以下是基于STM32F103C8T6的中藥存放環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的 main.c 代碼。其他子模塊（如溫濕度傳感器、煙霧傳感器、火災傳感器、蜂鳴器、LCD顯示、Wi-Fi等）的代碼已經(jīng)編寫好。代碼實現(xiàn)了主要功能：環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、報警機制、LCD顯示和Wi-Fi通訊。

#include "stm32f10x.h"
#include "DHT11.h"        // 包含DHT11傳感器的代碼
#include "SmokeSensor.h"   // 包含煙霧傳感器的代碼
#include "FireSensor.h"    // 包含火災傳感器的代碼
#include "Buzzer.h"        // 包含蜂鳴器控制代碼
#include "LCD1602.h"       // 包含LCD顯示控制代碼
#include "WiFi.h"          // 包含Wi-Fi通訊控制代碼

// 定義環(huán)境監(jiān)測閾值
#define TEMP_THRESHOLD_HIGH 30  // 溫度高于30度時報警
#define TEMP_THRESHOLD_LOW 10   // 溫度低于10度時報警
#define HUMIDITY_THRESHOLD_HIGH 80  // 濕度高于80%時報警
#define HUMIDITY_THRESHOLD_LOW 30  // 濕度低于30%時報警
#define SMOKE_THRESHOLD 500    // 煙霧濃度超過500時報警

// 環(huán)境參數(shù)存儲
float current_temp = 0;
float current_humidity = 0;
int smoke_level = 0;
int fire_alarm = 0;

// 函數(shù)聲明
void System_Init(void);
void Environment_Monitoring(void);
void Alert_System(void);
void Display_Data(void);
void WiFi_Transmit_Data(void);

int main(void)
{
    // 系統(tǒng)初始化
    System_Init();
    
    while (1)
    {
        // 環(huán)境監(jiān)測
        Environment_Monitoring();
        
        // 判斷是否超出報警閾值
        Alert_System();
        
        // 顯示環(huán)境數(shù)據(jù)
        Display_Data();
        
        // 通過Wi-Fi上傳數(shù)據(jù)
        WiFi_Transmit_Data();
        
    }
}

// 系統(tǒng)初始化函數(shù)
void System_Init(void)
{
    // 1. 初始化硬件
    LCD_Init();        // 初始化LCD
    Buzzer_Init();     // 初始化蜂鳴器
    DHT11_Init();      // 初始化DHT11傳感器
    SmokeSensor_Init(); // 初始化煙霧傳感器
    FireSensor_Init();  // 初始化火災傳感器
    WiFi_Init();        // 初始化Wi-Fi模塊
    // 2. 其他硬件初始化
    GPIO_Init();        // 初始化GPIO
}

// 環(huán)境監(jiān)測函數(shù)
void Environment_Monitoring(void)
{
    // 讀取DHT11傳感器數(shù)據(jù)
    current_temp = DHT11_Read_Temperature();
    current_humidity = DHT11_Read_Humidity();
    
    // 讀取煙霧傳感器數(shù)據(jù)
    smoke_level = SmokeSensor_Read();
    
    // 讀取火災傳感器數(shù)據(jù)
    fire_alarm = FireSensor_Read();
}

// 報警系統(tǒng)函數(shù)
void Alert_System(void)
{
    // 檢查是否超出溫度閾值
    if (current_temp > TEMP_THRESHOLD_HIGH || current_temp < TEMP_THRESHOLD_LOW)
    {
        Buzzer_On();  // 開啟蜂鳴器報警
        // 可以增加排氣通道控制的代碼
    }
    else
    {
        Buzzer_Off(); // 關閉蜂鳴器
    }

    // 檢查濕度是否超出閾值
    if (current_humidity > HUMIDITY_THRESHOLD_HIGH || current_humidity < HUMIDITY_THRESHOLD_LOW)
    {
        Buzzer_On();  // 開啟蜂鳴器報警
        // 可以增加排氣通道控制的代碼
    }
    else
    {
        Buzzer_Off(); // 關閉蜂鳴器
    }

    // 檢查煙霧濃度是否超標
    if (smoke_level > SMOKE_THRESHOLD)
    {
        Buzzer_On();  // 開啟蜂鳴器報警
        // 可以增加排氣通道控制的代碼
    }
    else
    {
        Buzzer_Off(); // 關閉蜂鳴器
    }

    // 檢查火災傳感器
    if (fire_alarm == 1)
    {
        Buzzer_On();  // 開啟蜂鳴器報警
        // 可以增加排氣通道控制的代碼
    }
    else
    {
        Buzzer_Off(); // 關閉蜂鳴器
    }
}

// 數(shù)據(jù)顯示函數(shù)
void Display_Data(void)
{
    // 在LCD上顯示環(huán)境數(shù)據(jù)
    LCD_Clear();
    LCD_SetCursor(0, 0);
    LCD_Printf("Temp: %.2f C", current_temp);
    LCD_SetCursor(1, 0);
    LCD_Printf("Humidity: %.2f %%", current_humidity);
    LCD_SetCursor(2, 0);
    LCD_Printf("Smoke: %d", smoke_level);
    LCD_SetCursor(3, 0);
    LCD_Printf("Fire: %s", fire_alarm ? "Detected" : "Safe");
}

// Wi-Fi數(shù)據(jù)傳輸函數(shù)
void WiFi_Transmit_Data(void)
{
    // 將環(huán)境數(shù)據(jù)通過Wi-Fi發(fā)送到手機APP或服務器
    WiFi_Send_Data("Temperature", current_temp);
    WiFi_Send_Data("Humidity", current_humidity);
    WiFi_Send_Data("Smoke", smoke_level);
    WiFi_Send_Data("Fire", fire_alarm ? 1 : 0);
}

// 延時函數(shù)
void delay_ms(uint32_t ms)
{
    uint32_t i, j;
    for (i = 0; i < ms; i++)
    {
        for (j = 0; j < 8000; j++)
        {
            __NOP();  // 空操作，等待時間
        }
    }
}

代碼分析

1. 1. 硬件初始化：
   • ? System_Init() 函數(shù)進行所有外設（如LCD、蜂鳴器、傳感器、Wi-Fi）的初始化。
2. 2. 環(huán)境監(jiān)測：

• ? Environment_Monitoring() 函數(shù)從各個傳感器（DHT11、煙霧傳感器、火災傳感器）中獲取實時數(shù)據(jù)。

1. 3. 報警機制：

• ? Alert_System() 函數(shù)根據(jù)各個傳感器的數(shù)據(jù)判斷是否超出設定的閾值，如果超標則啟動蜂鳴器報警，并根據(jù)需要啟動排氣通道。

1. 4. 數(shù)據(jù)展示：

• ? Display_Data() 函數(shù)使用LCD顯示屏展示實時環(huán)境數(shù)據(jù)，包括溫度、濕度、煙霧濃度和火災報警狀態(tài)。

1. 5. Wi-Fi通信：

• ? WiFi_Transmit_Data() 函數(shù)將環(huán)境數(shù)據(jù)通過Wi-Fi模塊發(fā)送至手機APP或云端服務器，方便遠程監(jiān)控。

審核編輯 黃宇