基于STM32設(shè)計(jì)的倉(cāng)庫(kù)環(huán)境監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)

1. 項(xiàng)目開(kāi)發(fā)背景

隨著工業(yè)化和現(xiàn)代化的進(jìn)程，尤其是在制造業(yè)、食品業(yè)、醫(yī)藥業(yè)等行業(yè)，倉(cāng)庫(kù)環(huán)境的監(jiān)控和管理成為了至關(guān)重要的一環(huán)。尤其是在存儲(chǔ)易腐品、藥品、電子產(chǎn)品等貨物時(shí)，溫度、濕度、氣體濃度等環(huán)境參數(shù)的異常變化可能導(dǎo)致物品的質(zhì)量和安全性問(wèn)題。為了保證倉(cāng)庫(kù)內(nèi)物品的安全存儲(chǔ)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)異常并采取必要措施，倉(cāng)庫(kù)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)方式往往依賴人工檢查或簡(jiǎn)單的環(huán)境檢測(cè)設(shè)備，但這些方式往往難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控與自動(dòng)預(yù)警。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展為倉(cāng)庫(kù)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)提供了更加智能、高效、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理手段。本項(xiàng)目基于STM32微控制器設(shè)計(jì)一個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)，具備溫濕度監(jiān)測(cè)、氣體檢測(cè)、墻壁水汽檢測(cè)、蜂鳴器報(bào)警、通風(fēng)控制等功能，支持?jǐn)?shù)據(jù)上傳至華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)并通過(guò)網(wǎng)頁(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化與控制。

本項(xiàng)目不僅滿足了傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測(cè)的需求，還通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)分析提升了倉(cāng)庫(kù)管理的效率和智能化水平，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2. 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的倉(cāng)庫(kù)環(huán)境監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)的主要功能如下：
1. 環(huán)境溫度和濕度檢測(cè)
使用SHT30溫濕度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的環(huán)境溫度和濕度，并通過(guò)顯示屏和云平臺(tái)實(shí)時(shí)展示。

2. 二氧化碳濃度檢測(cè)
使用SGP30傳感器檢測(cè)倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的二氧化碳濃度，提供空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)功能。

3. 墻壁水汽檢測(cè)
安裝雨滴傳感器以檢測(cè)墻壁或角落的水汽情況，當(dāng)水汽超標(biāo)時(shí)，通過(guò)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。

4. 可燃?xì)怏w檢測(cè)
使用MQ9氣體傳感器檢測(cè)倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的一氧化碳、甲烷等可燃?xì)怏w濃度，當(dāng)檢測(cè)到氣體濃度超標(biāo)時(shí)，觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警。

5. 通風(fēng)風(fēng)扇控制
使用繼電器控制通風(fēng)風(fēng)扇的啟停，用戶可以手動(dòng)按鍵開(kāi)啟或關(guān)閉風(fēng)扇，確保倉(cāng)庫(kù)通風(fēng)良好。

6. 報(bào)警功能
當(dāng)環(huán)境參數(shù)不符合設(shè)定要求時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)蜂鳴器報(bào)警并在可視化大屏上顯示報(bào)警信息，通知工作人員及時(shí)處理。

7. 可視化大屏顯示
使用1.44寸LCD顯示屏顯示溫濕度、二氧化碳濃度、氣體濃度、墻壁水汽等環(huán)境數(shù)據(jù)。

8. 數(shù)據(jù)上傳與云平臺(tái)顯示
系統(tǒng)通過(guò)ESP8266模塊連接Wi-Fi，將數(shù)據(jù)通過(guò)MQTT協(xié)議上傳到華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，并支持歷史數(shù)據(jù)查詢和分析。

9. Web端數(shù)據(jù)可視化與控制
使用Python編寫(xiě)后端服務(wù)器，接收從華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)，并通過(guò)HTML前端頁(yè)面展示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與報(bào)警狀態(tài)，用戶可通過(guò)Web頁(yè)面進(jìn)行控制操作。

10. 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析
服務(wù)器支持本地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并通過(guò)云平臺(tái)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析功能，提供環(huán)境參數(shù)歷史數(shù)據(jù)的查看與分析，輔助決策與管理。

3. 項(xiàng)目硬件模塊組成

本項(xiàng)目所使用的硬件模塊如下：

1. 主控芯片：STM32F103RCT6

• 主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的控制與數(shù)據(jù)處理，協(xié)調(diào)各個(gè)模塊的工作。
• 具有豐富的IO口、USART接口、PWM輸出等功能，適合本項(xiàng)目的多傳感器數(shù)據(jù)采集和控制需求。

2. 溫濕度傳感器：SHT30

• 用于檢測(cè)倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的環(huán)境溫度和濕度。
• 具有高精度和穩(wěn)定性，通過(guò)I2C接口與STM32通信。

3. 二氧化碳濃度傳感器：SGP30

• 用于檢測(cè)倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的二氧化碳濃度，具有較高的檢測(cè)精度。
• 同樣采用I2C接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

4. 可燃?xì)怏w傳感器：MQ9

• 用于檢測(cè)倉(cāng)庫(kù)內(nèi)一氧化碳、甲烷等氣體的濃度。
• 通過(guò)模擬輸出與STM32進(jìn)行通信。

5. 雨滴傳感器

• 用于檢測(cè)墻壁或角落的水汽情況。
• 安裝在墻壁或角落，如果檢測(cè)到水汽，則通過(guò)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。

6. 蜂鳴器

• 用于報(bào)警，當(dāng)環(huán)境參數(shù)不符合要求時(shí)，蜂鳴器發(fā)出聲音提醒。

7. 通風(fēng)風(fēng)扇：繼電器控制

• 用于控制通風(fēng)風(fēng)扇的開(kāi)關(guān)，通過(guò)繼電器與STM32連接。

8. Wi-Fi模塊：ESP8266

• 用于與本地網(wǎng)絡(luò)連接，將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)上傳到華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。
• 支持MQTT協(xié)議，用于數(shù)據(jù)上傳。

9. 顯示屏：1.44寸LCD

• 顯示當(dāng)前倉(cāng)庫(kù)的環(huán)境數(shù)據(jù)，包括溫濕度、二氧化碳濃度、氣體濃度等。

10. 電源模塊：5V 2A外部穩(wěn)壓模塊

• 為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源。

4. 設(shè)計(jì)思路

4.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分主要包括溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器、可燃?xì)怏w傳感器、雨滴傳感器、蜂鳴器、Wi-Fi模塊等。系統(tǒng)使用STM32F103RCT6作為主控芯片，通過(guò)I2C、GPIO、PWM等接口與傳感器和執(zhí)行器連接。

系統(tǒng)通過(guò)ESP8266 Wi-Fi模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸，數(shù)據(jù)通過(guò)MQTT協(xié)議上傳至華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。云端平臺(tái)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和歷史數(shù)據(jù)分析，同時(shí)提供API接口供本地服務(wù)器拉取數(shù)據(jù)。通過(guò)Web頁(yè)面，用戶可以查看實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)并進(jìn)行控制操作。

4.2 數(shù)據(jù)采集與處理

• 溫濕度檢測(cè)：使用SHT30傳感器實(shí)時(shí)采集倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的環(huán)境溫度和濕度，STM32通過(guò)I2C接口與SHT30通信，獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。
• 氣體檢測(cè)：通過(guò)MQ9傳感器獲取一氧化碳等氣體的濃度，當(dāng)濃度超標(biāo)時(shí)觸發(fā)報(bào)警。
• 墻壁水汽檢測(cè)：雨滴傳感器監(jiān)測(cè)墻壁或角落的水汽，當(dāng)水汽超標(biāo)時(shí)，蜂鳴器報(bào)警。
• 二氧化碳濃度檢測(cè)：SGP30傳感器監(jiān)測(cè)二氧化碳濃度。

4.3 報(bào)警與控制

• 蜂鳴器報(bào)警：當(dāng)檢測(cè)到溫濕度、氣體濃度、墻壁水汽等不符合要求時(shí)，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲音。
• 風(fēng)扇控制：通過(guò)繼電器控制通風(fēng)風(fēng)扇的啟停，確保倉(cāng)庫(kù)內(nèi)空氣流通。
• 按鍵控制：用戶可以通過(guò)按鍵手動(dòng)啟動(dòng)或關(guān)閉風(fēng)扇。

4.4 數(shù)據(jù)上傳與可視化

• 云數(shù)據(jù)上傳：數(shù)據(jù)通過(guò)ESP8266模塊通過(guò)Wi-Fi上傳到華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，使用MQTT協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。
• Web端可視化：后端服務(wù)器使用Python開(kāi)發(fā)，前端使用HTML5展示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、報(bào)警信息和控制界面。

5. 系統(tǒng)功能總結(jié)

云平臺(tái) | | Web端可視化 | 通過(guò)Web前端展示數(shù)據(jù)、報(bào)警信息及控制操作 |

6. 使用的模塊的技術(shù)詳情介紹

6.1 SHT30 溫濕度傳感器
工作原理：SHT30是一款數(shù)字輸出型溫濕度傳感器，采用I2C協(xié)議與STM32通信。具有高精度、低功耗的特點(diǎn)，適合長(zhǎng)期穩(wěn)定監(jiān)測(cè)環(huán)境條件。

6.2 SGP30 二氧化碳傳感器
工作原理：SGP30是一款基于金屬氧化物傳感器的二氧化碳傳感器，采用I2C通信協(xié)議，能精確檢測(cè)空氣中的二氧化碳濃度。

6.3 MQ9 可燃?xì)怏w傳感器
工作原理：MQ9是常見(jiàn)的氣體傳感器，可檢測(cè)一氧化碳、甲烷等可燃?xì)怏w。輸出模擬信號(hào)，STM32通過(guò)ADC讀取數(shù)據(jù)，進(jìn)行氣體濃度判斷。

6.4 雨滴傳感器
工作原理：雨滴傳感器檢測(cè)環(huán)境中的水汽，當(dāng)水汽濃度超標(biāo)時(shí)，通過(guò)觸發(fā)高電平輸出控制蜂鳴器報(bào)警。

6.5 ESP8266 Wi-Fi模塊
工作原理：ESP8266模塊提供Wi-Fi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接，支持通過(guò)MQTT協(xié)議與云平臺(tái)進(jìn)行通信，傳輸環(huán)境數(shù)據(jù)。

6.6 蜂鳴器
工作原理：蜂鳴器通過(guò)接收到高電平信號(hào)時(shí)發(fā)出響聲，用于報(bào)警通知。

7. 總結(jié)

本項(xiàng)目成功設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于STM32的倉(cāng)庫(kù)環(huán)境監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)。通過(guò)結(jié)合多種傳感器、Wi-Fi模塊以及云平臺(tái)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的溫濕度、氣體濃度、水汽等環(huán)境參數(shù)，并在出現(xiàn)異常時(shí)通過(guò)蜂鳴器報(bào)警提醒工作人員。同時(shí)，系統(tǒng)支持?jǐn)?shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)，提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示和歷史數(shù)據(jù)分析，幫助管理人員更好地了解倉(cāng)庫(kù)環(huán)境狀況，做出決策。

該系統(tǒng)具備高效性、智能化、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景，可以為各類倉(cāng)儲(chǔ)、生產(chǎn)線等環(huán)境提供有效的監(jiān)測(cè)和預(yù)警保障。

8. STM32代碼設(shè)計(jì)

以下是基于STM32的倉(cāng)庫(kù)環(huán)境監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)的 main.c 文件代碼。主程序負(fù)責(zé)初始化各個(gè)模塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，最后通過(guò)Wi-Fi上傳數(shù)據(jù)到華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

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#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "stdio.h"
#include "string.h"

// 引入各傳感器模塊的頭文件
#include "sht30.h"          // 溫濕度傳感器
#include "sgp30.h"          // 二氧化碳傳感器
#include "mq9.h"            // 可燃?xì)怏w傳感器
#include "rain_sensor.h"    // 水汽傳感器
#include "esp8266.h"        // WiFi模塊
#include "lcd.h"            // LCD顯示
#include "relay.h"          // 繼電器控制風(fēng)扇
#include "buzzer.h"         // 蜂鳴器

// 定義環(huán)境監(jiān)測(cè)閾值
#define TEMP_THRESHOLD_HIGH   30  // 高溫閾值（單位：℃）
#define TEMP_THRESHOLD_LOW    10  // 低溫閾值（單位：℃）
#define HUMIDITY_THRESHOLD_LOW 30  // 低濕度閾值（單位：%）
#define CO_THRESHOLD          10  // 一氧化碳濃度閾值（單位：ppm）
#define CO2_THRESHOLD         1000 // 二氧化碳濃度閾值（單位：ppm）
#define WATER_VAPOR_THRESHOLD 50  // 水汽濃度閾值（單位：%)

UART_HandleTypeDef huart1;  // 串口1，用于調(diào)試
I2C_HandleTypeDef hi2c1;    // I2C1，用于溫濕度傳感器、SGP30
SPI_HandleTypeDef hspi1;    // SPI1，用于LCD顯示
WiFi_Module wifi;           // Wi-Fi模塊

// 函數(shù)聲明
void SystemClock_Config(void);
void MX_GPIO_Init(void);
void MX_USART1_UART_Init(void);
void MX_I2C1_Init(void);
void MX_SPI1_Init(void);
void read_environment_data(void);
void display_data_on_lcd(float temperature, float humidity, float co2, float co);
void send_data_to_cloud(float temperature, float humidity, float co2, float co);
void check_alerts(float temperature, float humidity, float co2, float co, int water_vapor);
void control_relay(int status);
void control_buzzer(int status);

int main(void)
{
    // 系統(tǒng)初始化
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_USART1_UART_Init();
    MX_I2C1_Init();
    MX_SPI1_Init();

    // 初始化傳感器
    SHT30_Init(&hi2c1);  // 初始化溫濕度傳感器
    SGP30_Init(&hi2c1);  // 初始化二氧化碳傳感器
    MQ9_Init();          // 初始化可燃?xì)怏w傳感器
    Rain_Sensor_Init();  // 初始化水汽傳感器
    ESP8266_Init(&huart1); // 初始化Wi-Fi模塊
    LCD_Init(&hspi1);     // 初始化LCD顯示
    Buzzer_Init();        // 初始化蜂鳴器
    Relay_Init();         // 初始化繼電器（風(fēng)扇控制）

    // 系統(tǒng)主循環(huán)
    while (1)
    {
        // 讀取環(huán)境數(shù)據(jù)
        float temperature, humidity, co2, co;
        int water_vapor;
        read_environment_data(&temperature, &humidity, &co2, &co, &water_vapor);

        // 顯示數(shù)據(jù)到LCD
        display_data_on_lcd(temperature, humidity, co2, co);

        // 上傳數(shù)據(jù)到云平臺(tái)
        send_data_to_cloud(temperature, humidity, co2, co);

        // 檢查是否需要報(bào)警或執(zhí)行控制
        check_alerts(temperature, humidity, co2, co, water_vapor);

    }
}

// 讀取環(huán)境數(shù)據(jù)（溫濕度，CO2濃度，CO濃度，水汽濃度）
void read_environment_data(float *temperature, float *humidity, float *co2, float *co, int *water_vapor)
{
    // 獲取溫濕度數(shù)據(jù)
    *temperature = SHT30_ReadTemperature();
    *humidity = SHT30_ReadHumidity();

    // 獲取CO2濃度數(shù)據(jù)
    *co2 = SGP30_ReadCO2();

    // 獲取CO濃度數(shù)據(jù)
    *co = MQ9_ReadCO();

    // 獲取水汽濃度數(shù)據(jù)
    *water_vapor = Rain_Sensor_Read();
}

// 將數(shù)據(jù)顯示在LCD屏上
void display_data_on_lcd(float temperature, float humidity, float co2, float co)
{
    char display_buffer[50];
    
    // 顯示溫濕度數(shù)據(jù)
    sprintf(display_buffer, "Temp: %.2fC Hum: %.2f%%", temperature, humidity);
    LCD_DisplayStringLine(0, (uint8_t*)display_buffer);

    // 顯示CO2和CO數(shù)據(jù)
    sprintf(display_buffer, "CO2: %.2fppm CO: %.2fppm", co2, co);
    LCD_DisplayStringLine(1, (uint8_t*)display_buffer);
}

// 將數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)
void send_data_to_cloud(float temperature, float humidity, float co2, float co)
{
    // 將數(shù)據(jù)通過(guò)MQTT協(xié)議上傳到華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)
    char payload[200];
    sprintf(payload, "{"temperature": %.2f, "humidity": %.2f, "co2": %.2f, "co": %.2f}",
            temperature, humidity, co2, co);
    ESP8266_MQTT_Publish("warehouse/environment", payload);  // 假設(shè)該主題用于上傳環(huán)境數(shù)據(jù)
}

// 檢查環(huán)境參數(shù)，判斷是否需要報(bào)警或控制
void check_alerts(float temperature, float humidity, float co2, float co, int water_vapor)
{
    // 檢查溫度
    if (temperature > TEMP_THRESHOLD_HIGH || temperature < TEMP_THRESHOLD_LOW)
    {
        control_buzzer(1);  // 超出溫度范圍，啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警
    }
    // 檢查濕度
    if (humidity < HUMIDITY_THRESHOLD_LOW)
    {
        control_buzzer(1);  // 濕度過(guò)低，啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警
    }
    // 檢查二氧化碳濃度
    if (co2 > CO2_THRESHOLD)
    {
        control_buzzer(1);  // 二氧化碳濃度過(guò)高，啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警
    }
    // 檢查可燃?xì)怏w濃度
    if (co > CO_THRESHOLD)
    {
        control_buzzer(1);  // 可燃?xì)怏w濃度過(guò)高，啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警
    }
    // 檢查水汽濃度
    if (water_vapor > WATER_VAPOR_THRESHOLD)
    {
        control_buzzer(1);  // 水汽濃度過(guò)高，啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警
    }

    // 控制風(fēng)扇（繼電器控制）
    if (temperature > TEMP_THRESHOLD_HIGH)
    {
        control_relay(1);  // 啟動(dòng)風(fēng)扇
    }
    else if (temperature < TEMP_THRESHOLD_LOW)
    {
        control_relay(0);  // 關(guān)閉風(fēng)扇
    }
}

// 控制繼電器（風(fēng)扇）
void control_relay(int status)
{
    if (status)
    {
        Relay_On();  // 打開(kāi)風(fēng)扇
    }
    else
    {
        Relay_Off();  // 關(guān)閉風(fēng)扇
    }
}

// 控制蜂鳴器
void control_buzzer(int status)
{
    if (status)
    {
        Buzzer_On();  // 啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警
    }
    else
    {
        Buzzer_Off();  // 關(guān)閉蜂鳴器
    }
}