基于单片机中药存放环境监测系统的实现

基于单片机中药存放环境监测系统的实现

项目开发背景

随着现代中药的广泛应用，中药材的存储环境对其质量有着至关重要的影响。温湿度、烟雾、火灾等环境因素，若不加以控制，将会导致中药材失效或变质。因此，设计一个基于单片机的中药存放环境监测系统显得尤为重要。该系统通过实时监测温湿度、烟雾浓度、火灾情况等环境参数，确保中药存放环境处于适宜的状态，从而保证中药材的品质，减少因环境问题引发的损失。

本项目基于STM32F103C8T6单片机作为核心控制单元，通过多种传感器对环境进行实时采集，并通过液晶显示屏和Wi-Fi无线通讯将监测数据展示给用户，达到环境预警和安全保障的目的。

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设计实现的功能

  1. 温湿度采集与监控：使用DHT11温湿度传感器实时监控中药存放房间的温度和湿度，确保温湿度符合要求。
  2. 烟雾监测：通过烟雾传感器检测存放环境中的烟雾浓度，及时发现火灾隐患。
  3. 火灾监测：利用火灾传感器检测中药存放环境中是否有火灾发生，保证环境安全。
  4. 环境预警：设置温湿度、烟雾、火灾等阈值，当超过设定值时，系统自动触发警报（蜂鸣器），提示用户注意。
  5. 紧急处理机制：当温度、湿度、烟雾或火灾参数超标时，系统自动启动排气通道进行换气或散热处理。
  6. 数据展示与实时监控：通过液晶显示屏显示当前环境数据，提供温度、湿度、烟雾浓度、火灾监测结果等信息。
  7. 手机端监控与管理：通过Wi-Fi模块实现手机APP与设备之间的通信，使用户可以在手机端查看实时数据并进行远程监控。
  8. 数据存储与历史记录：监测数据可存储并备份，便于后期查阅和分析，确保数据的长期有效性。

项目硬件模块组成

  1. 主控芯片 STM32F103C8T6
    作为本系统的核心控制单元，STM32F103C8T6具有丰富的I/O口，支持多种外设接口（如SPI、I2C、USART等），能够满足传感器的数据采集、处理和通信要求。
  2. DHT11 温湿度传感器
    用于实时采集存储环境的温度和湿度数据，输出数字信号，通过单片机读取数据进行处理。
  3. 烟雾传感器
    该传感器能够检测空气中的烟雾浓度，通过模拟输出提供实时的烟雾浓度数据。
  4. 火灾传感器
    用于检测火灾发生的初期征兆，如温度剧增、火焰感应等。输出信号通过单片机读取，用于判断是否有火灾发生。
  5. 蜂鸣器
    当环境参数超过设定阈值时，蜂鸣器发出警报声音，提醒用户注意。
  6. 排气通道控制模块
    该模块用于控制中药存储房的排气系统，系统可根据传感器数据自动开启排气口进行散热或通风。
  7. LCD液晶显示屏（1602或类似）
    用于显示当前监测到的温度、湿度、烟雾浓度、火灾报警等数据，提供直观的实时反馈。
  8. Wi-Fi模块（如ESP8266）
    通过Wi-Fi模块与手机APP连接，实现远程数据监控和管理。
  9. 电源管理模块
    提供系统稳定的电源，支持单片机及各个模块的工作。

设计思路

总体架构

本系统的设计包括硬件和软件两大部分，硬件部分由STM32F103C8T6单片机作为控制中心，外围集成了多种传感器用于环境数据采集，包括温湿度传感器、烟雾传感器、火灾传感器等，同时利用LCD液晶屏实时显示数据，并通过Wi-Fi模块实现手机端的数据访问。

在软件部分，首先要实现对各个传感器的数据读取和处理，并对数据进行实时监控。其次，设置阈值，当环境数据超过设定的阈值时，触发报警机制（蜂鸣器和排气通道）。最后，通过Wi-Fi将监测数据传输到手机APP，用户可以远程查看和管理数据。

数据采集与处理

  1. 温湿度采集：通过DHT11传感器读取温湿度数据，并将数据传输给单片机进行处理。
  2. 烟雾采集：通过烟雾传感器读取烟雾浓度数据，并在程序中进行转换和阈值判断。
  3. 火灾采集：通过火灾传感器获取火灾报警信号，判断是否发生火灾。

环境监测与预警

当温湿度、烟雾浓度或火灾传感器的读数超过预设阈值时，系统会触发警报并启动相应的紧急处理机制，例如开启蜂鸣器警告和自动启动排气系统。

数据存储与历史记录

通过STM32F103C8T6的内存或外接存储器（如SD卡）保存历史数据，方便后期查询和分析。

无线通讯

通过Wi-Fi模块实现系统与手机端的通信，手机APP将实时显示温湿度、烟雾、火灾等监测数据，确保用户可以远程掌握存储环境状况。

系统功能总结

功能模块描述
温湿度监测实时监测中药存储房的温湿度，确保环境适宜
烟雾监测检测存储房内的烟雾浓度，及时发现潜在的火灾隐患
火灾监测检测火灾初期征兆，预防火灾事故发生
环境预警设置温湿度、烟雾、火灾阈值，超标时触发报警机制
紧急处理机制超标时启动排气通道进行通风或散热，降低环境风险
数据展示与实时监控LCD显示屏展示环境数据，便于现场查看和管理
手机APP监控与管理通过Wi-Fi模块连接手机，远程查看实时监测数据
数据存储与历史记录保存环境监测数据，便于查询和分析

使用的模块的技术详情介绍

1. DHT11 温湿度传感器

  • 工作原理：DHT11通过内置的温湿度感应元件来测量环境的温度和湿度。它通过单总线协议与单片机进行数据通信。

  • 技术参数

    ：

    • 温度测量范围：0℃到50℃
    • 湿度测量范围：20%到90%
    • 精度：温度±2℃，湿度±5%

2. 烟雾传感器

  • 工作原理：烟雾传感器通过对空气中气体的吸收与反射变化，检测烟雾浓度。输出模拟信号，可通过ADC接口输入单片机。
  • 技术参数：
    • 输出信号：模拟电压信号
    • 检测浓度：300-1000ppm烟雾

3. 火灾传感器

  • 工作原理：火灾传感器通过检测环境温度变化或火焰的存在来判断是否发生火灾，常用红外线火焰传感器或热敏电阻。
  • 技术参数：
    • 检测温度范围：30℃-50℃
    • 检测方式：红外或热敏电阻

4. Wi-Fi模块 (ESP8266)

  • 工作原理：ESP8266通过UART接口与单片机通信，实现Wi-Fi功能，能够将环境数据发送至云平台或手机APP。
  • 技术参数：
    • 支持802.11b/g/n Wi-Fi标准
    • 支持TCP/IP协议

STM32代码设计

以下是基于STM32F103C8T6的中药存放环境监测系统的 main.c 代码。其他子模块（如温湿度传感器、烟雾传感器、火灾传感器、蜂鸣器、LCD显示、Wi-Fi等）的代码已经编写好。代码实现了主要功能：环境数据的采集、报警机制、LCD显示和Wi-Fi通讯。

#include "stm32f10x.h"
#include "DHT11.h"        // 包含DHT11传感器的代码
#include "SmokeSensor.h"   // 包含烟雾传感器的代码
#include "FireSensor.h"    // 包含火灾传感器的代码
#include "Buzzer.h"        // 包含蜂鸣器控制代码
#include "LCD1602.h"       // 包含LCD显示控制代码
#include "WiFi.h"          // 包含Wi-Fi通讯控制代码

// 定义环境监测阈值
#define TEMP_THRESHOLD_HIGH 30  // 温度高于30度时报警
#define TEMP_THRESHOLD_LOW 10   // 温度低于10度时报警
#define HUMIDITY_THRESHOLD_HIGH 80  // 湿度高于80%时报警
#define HUMIDITY_THRESHOLD_LOW 30  // 湿度低于30%时报警
#define SMOKE_THRESHOLD 500    // 烟雾浓度超过500时报警

// 环境参数存储
float current_temp = 0;
float current_humidity = 0;
int smoke_level = 0;
int fire_alarm = 0;

// 函数声明
void System_Init(void);
void Environment_Monitoring(void);
void Alert_System(void);
void Display_Data(void);
void WiFi_Transmit_Data(void);

int main(void)
{
    // 系统初始化
    System_Init();
    
    while (1)
    {
        // 环境监测
        Environment_Monitoring();
        
        // 判断是否超出报警阈值
        Alert_System();
        
        // 显示环境数据
        Display_Data();
        
        // 通过Wi-Fi上传数据
        WiFi_Transmit_Data();
        
    }
}

// 系统初始化函数
void System_Init(void)
{
    // 1. 初始化硬件
    LCD_Init();        // 初始化LCD
    Buzzer_Init();     // 初始化蜂鸣器
    DHT11_Init();      // 初始化DHT11传感器
    SmokeSensor_Init(); // 初始化烟雾传感器
    FireSensor_Init();  // 初始化火灾传感器
    WiFi_Init();        // 初始化Wi-Fi模块
    // 2. 其他硬件初始化
    GPIO_Init();        // 初始化GPIO
}

// 环境监测函数
void Environment_Monitoring(void)
{
    // 读取DHT11传感器数据
    current_temp = DHT11_Read_Temperature();
    current_humidity = DHT11_Read_Humidity();
    
    // 读取烟雾传感器数据
    smoke_level = SmokeSensor_Read();
    
    // 读取火灾传感器数据
    fire_alarm = FireSensor_Read();
}

// 报警系统函数
void Alert_System(void)
{
    // 检查是否超出温度阈值
    if (current_temp > TEMP_THRESHOLD_HIGH || current_temp < TEMP_THRESHOLD_LOW)
    {
        Buzzer_On();  // 开启蜂鸣器报警
        // 可以增加排气通道控制的代码
    }
    else
    {
        Buzzer_Off(); // 关闭蜂鸣器
    }

    // 检查湿度是否超出阈值
    if (current_humidity > HUMIDITY_THRESHOLD_HIGH || current_humidity < HUMIDITY_THRESHOLD_LOW)
    {
        Buzzer_On();  // 开启蜂鸣器报警
        // 可以增加排气通道控制的代码
    }
    else
    {
        Buzzer_Off(); // 关闭蜂鸣器
    }

    // 检查烟雾浓度是否超标
    if (smoke_level > SMOKE_THRESHOLD)
    {
        Buzzer_On();  // 开启蜂鸣器报警
        // 可以增加排气通道控制的代码
    }
    else
    {
        Buzzer_Off(); // 关闭蜂鸣器
    }

    // 检查火灾传感器
    if (fire_alarm == 1)
    {
        Buzzer_On();  // 开启蜂鸣器报警
        // 可以增加排气通道控制的代码
    }
    else
    {
        Buzzer_Off(); // 关闭蜂鸣器
    }
}

// 数据显示函数
void Display_Data(void)
{
    // 在LCD上显示环境数据
    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数据传输函数
void WiFi_Transmit_Data(void)
{
    // 将环境数据通过Wi-Fi发送到手机APP或服务器
    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);
}

// 延时函数
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，等待时间
        }
    }
}

代码分析

  1. 硬件初始化：
    • System_Init() 函数进行所有外设（如LCD、蜂鸣器、传感器、Wi-Fi）的初始化。
  2. 环境监测：
    • Environment_Monitoring() 函数从各个传感器（DHT11、烟雾传感器、火灾传感器）中获取实时数据。
  3. 报警机制：
    • Alert_System() 函数根据各个传感器的数据判断是否超出设定的阈值，如果超标则启动蜂鸣器报警，并根据需要启动排气通道。
  4. 数据展示：
    • Display_Data() 函数使用LCD显示屏展示实时环境数据，包括温度、湿度、烟雾浓度和火灾报警状态。
  5. Wi-Fi通信：
    • WiFi_Transmit_Data() 函数将环境数据通过Wi-Fi模块发送至手机APP或云端服务器，方便远程监控。

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