項目開發背景

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

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境進行實時采集，并通過液晶顯示屏和Wi-Fi無線通訊將監測數據展示給用戶，達到環境預警和安全保障的目的。

設計實現的功能

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

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據采集、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境的溫度和濕度數據，輸出數字信號，通過單片機讀取數據進行處理。
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據。
4. 4. 火災傳感器
      用于檢測火災發生的初期征兆，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生。
5. 5. 蜂鳴器
      當環境參數超過設定閾值時，蜂鳴器發出警報聲音，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，系統可根據傳感器數據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）
      用于顯示當前監測到的溫度、濕度、煙霧濃度、火災報警等數據，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，實現遠程數據監控和管理。
9. 9. 電源管理模塊
      提供系統穩定的電源，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境數據采集，包括溫濕度傳感器、煙霧傳感器、火災傳感器等，同時利用LCD液晶屏實時顯示數據，并通過Wi-Fi模塊實現手機端的數據訪問。

在軟件部分，首先要實現對各個傳感器的數據讀取和處理，并對數據進行實時監控。其次，設置閾值，當環境數據超過設定的閾值時，觸發報警機制（蜂鳴器和排氣通道）。最后，通過Wi-Fi將監測數據傳輸到手機APP，用戶可以遠程查看和管理數據。

數據采集與處理

1. 1. 溫濕度采集 ：通過DHT11傳感器讀取溫濕度數據，并將數據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據，并在程序中進行轉換和閾值判斷。
3. 3. 火災采集 ：通過火災傳感器獲取火災報警信號，判斷是否發生火災。

環境監測與預警

當溫濕度、煙霧濃度或火災傳感器的讀數超過預設閾值時，系統會觸發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。

數據存儲與歷史記錄

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

無線通訊

通過Wi-Fi模塊實現系統與手機端的通信，手機APP將實時顯示溫濕度、煙霧、火災等監測數據，確保用戶可以遠程掌握存儲環境狀況。

系統功能總結

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通過內置的溫濕度感應元件來測量環境的溫度和濕度。它通過單總線協議與單片機進行數據通信。
• ? 技術參數：
  • ? 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：
  • ? 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境溫度變化或火焰的存在來判斷是否發生火災，常用紅外線火焰傳感器或熱敏電阻。
• ? 技術參數：
  • ? 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Wi-Fi功能，能夠將環境數據發送至云平臺或手機APP。
• ? 技術參數：
  • ? 支持802.11b/g/n Wi-Fi標準
  • ? 支持TCP/IP協議

STM32代碼設計

以下是基于STM32F103C8T6的中藥存放環境監測系統的 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）的代碼已經編寫好。代碼實現了主要功能：環境數據的采集、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

// 定義環境監測閾值
#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

// 環境參數存儲
float current_temp = 0;
float current_humidity = 0;
int smoke_level = 0;
int fire_alarm = 0;

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

int main(void)
{
    // 系統初始化
    System_Init();
    
    while (1)
    {
        // 環境監測
        Environment_Monitoring();
        
        // 判斷是否超出報警閾值
        Alert_System();
        
        // 顯示環境數據
        Display_Data();
        
        // 通過Wi-Fi上傳數據
        WiFi_Transmit_Data();
        
    }
}

// 系統初始化函數
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
}

// 環境監測函數
void Environment_Monitoring(void)
{
    // 讀取DHT11傳感器數據
    current_temp = DHT11_Read_Temperature();
    current_humidity = DHT11_Read_Humidity();
    
    // 讀取煙霧傳感器數據
    smoke_level = SmokeSensor_Read();
    
    // 讀取火災傳感器數據
    fire_alarm = FireSensor_Read();
}

// 報警系統函數
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
    }
}

// 數據顯示函數
void Display_Data(void)
{
    // 在LCD上顯示環境數據
    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數據傳輸函數
void WiFi_Transmit_Data(void)
{
    // 將環境數據通過Wi-Fi發送到手機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
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() 函數進行所有外設（如LCD、蜂鳴器、傳感器、Wi-Fi）的初始化。
2. 2. 環境監測：

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

1. 3. 報警機制：

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

1. 4. 數據展示：

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

1. 5. Wi-Fi通信：

• ? WiFi_Transmit_Data() 函數將環境數據通過Wi-Fi模塊發送至手機APP或云端服務器，方便遠程監控。

審核編輯 黃宇