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基于STM32的粮库检测系统设计

article 2024/10/23 20:17:52

引言

粮食储存安全对农业生产和粮食供应链至关重要。一个有效的粮库检测系统能够实时监控粮仓内部的温度、湿度、二氧化碳浓度等关键指标，以防止霉变、害虫滋生和其他潜在危险。本项目基于STM32设计了一个粮库检测系统，集成了温湿度传感器、二氧化碳传感器、气体传感器和Wi-Fi模块，实现对粮库环境的实时监控、报警及数据上传，确保粮食在存储期间的安全性和质量。

环境准备

1. 硬件设备
  • STM32F103C8T6 开发板（或其他 STM32 系列）
  • 温湿度传感器（如 DHT11 或 DHT22，用于监控粮仓的温湿度）
  • 二氧化碳传感器（如 MG811，用于检测粮仓内 CO₂ 浓度）
  • 气体传感器（如 MQ-135，用于检测有害气体浓度）
  • OLED 显示屏（用于显示当前检测的数据）
  • Wi-Fi 模块（如 ESP8266，用于数据上传和远程监控）
  • 蜂鸣器（用于超标报警）
  • SD 卡模块（用于数据存储）
  • USB-TTL 串口调试工具
  • 电阻、杜邦线、面包板等基础电子元件
2. 软件工具
  • STM32CubeMX：用于初始化 STM32 外设。
  • Keil uVision 或 STM32CubeIDE：用于编写和下载代码。
  • ST-Link 驱动程序：用于下载程序到 STM32。

项目实现

1. 硬件连接
  • 温湿度传感器连接：将 DHT11 温湿度传感器的数据引脚连接到 STM32 的 GPIO（如 PA0），用于监控粮库的温湿度。
  • 二氧化碳传感器连接：将 MG811 二氧化碳传感器的模拟输出引脚连接到 STM32 的 ADC 输入引脚（如 PA1），用于检测 CO₂ 浓度。
  • 气体传感器连接：将 MQ-135 气体传感器的模拟输出引脚连接到 STM32 的 ADC 输入引脚（如 PA2），用于检测其他有害气体。
  • OLED 显示屏连接：将 OLED 的 SDA 和 SCL 引脚连接到 STM32 的 I2C 接口（如 PB6 和 PB7），用于显示当前环境数据。
  • Wi-Fi 模块连接：将 Wi-Fi 模块的 TX/RX 引脚连接到 STM32 的 USART 接口（如 PA9 和 PA10），用于将数据上传到服务器进行远程监控。
  • 蜂鸣器连接：将蜂鸣器的控制引脚连接到 STM32 的 GPIO（如 PA3），用于报警提示。
  • SD 卡模块连接：将 SD 卡模块的 SPI 接口连接到 STM32 的 SPI 接口（如 PA4、PA5、PA6 和 PA7），用于记录历史数据。
  • 其他连接：为 STM32、传感器、显示屏等提供稳定的电源，并确保信号线接线正确。
2. STM32CubeMX 配置
  • 打开 STM32CubeMX，选择你的开发板型号。
  • 配置系统时钟为 HSI，确保系统稳定运行。
  • 配置 GPIO 用于温湿度传感器、蜂鸣器等外设。
  • 配置 ADC，用于读取二氧化碳和气体传感器的模拟信号。
  • 配置 I2C，用于与 OLED 显示屏通信。
  • 配置 USART，用于与 Wi-Fi 模块通信。
  • 配置 SPI，用于与 SD 卡模块通信。
  • 生成代码，选择 Keil 或 STM32CubeIDE 作为工具链。
3. 编写主程序

在生成的项目基础上，编写温湿度、CO₂、气体检测、数据存储、Wi-Fi上传、报警提示等功能代码。以下是粮库检测系统的基本代码示例：

#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "dht11.h"
#include "co2_sensor.h"
#include "gas_sensor.h"
#include "oled.h"
#include "wifi.h"
#include "sdcard.h"
#include "gpio.h"

// 定义报警阈值
#define TEMP_THRESHOLD 35.0      // 温度报警阈值（摄氏度）
#define HUMIDITY_THRESHOLD 70.0  // 湿度报警阈值（%）
#define CO2_THRESHOLD 1000.0     // 二氧化碳浓度报警阈值（ppm）
#define GAS_THRESHOLD 200.0      // 有害气体报警阈值

// 函数声明
void System_Init(void);
void Measure_Environment(void);
void Display_Data(void);
void Store_Data(void);
void Remote_Monitoring(void);
void Check_Alarm(void);
void Trigger_Alarm(void);

// 全局变量
float temperature = 0;      // 当前温度
float humidity = 0;         // 当前湿度
float co2_concentration = 0; // CO2 浓度
float gas_concentration = 0; // 有害气体浓度
uint8_t alarm_flag = 0;      // 报警标志

void System_Init(void)
{
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_ADC1_Init();
    MX_I2C1_Init();
    MX_USART1_UART_Init();
    MX_SPI1_Init();
    
    OLED_Init();
    DHT11_Init();
    CO2_Sensor_Init();
    Gas_Sensor_Init();
    WiFi_Init();
    SD_Card_Init();
    
    OLED_ShowString(0, 0, "Grain Storage Monitoring Ready");
}

// 环境参数测量
void Measure_Environment(void)
{
    // 读取温湿度传感器数据
    DHT11_ReadData(&temperature, &humidity);
    
    // 读取 CO2 传感器数据
    co2_concentration = CO2_Sensor_Read();
    
    // 读取气体传感器数据
    gas_concentration = Gas_Sensor_Read();
}

// 显示测量数据
void Display_Data(void)
{
    OLED_Clear();
    OLED_ShowString(0, 0, "Temp: ");
    OLED_ShowFloat(64, 0, temperature, 2);
    OLED_ShowString(0, 1, "Humidity: ");
    OLED_ShowFloat(64, 1, humidity, 2);
    OLED_ShowString(0, 2, "CO2: ");
    OLED_ShowFloat(64, 2, co2_concentration, 2);
    OLED_ShowString(0, 3, "Gas: ");
    OLED_ShowFloat(64, 3, gas_concentration, 2);
}

// 存储数据到SD卡
void Store_Data(void)
{
    SD_Card_Write(temperature, humidity, co2_concentration, gas_concentration);
}

// 远程监控上传数据
void Remote_Monitoring(void)
{
    WiFi_SendData(temperature, humidity, co2_concentration, gas_concentration);
}

// 报警检查
void Check_Alarm(void)
{
    if (temperature > TEMP_THRESHOLD || humidity > HUMIDITY_THRESHOLD || 
        co2_concentration > CO2_THRESHOLD || gas_concentration > GAS_THRESHOLD)
    {
        alarm_flag = 1;
        Trigger_Alarm();  // 触发报警
    }
    else
    {
        alarm_flag = 0;
    }
}

// 触发报警
void Trigger_Alarm(void)
{
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_3, GPIO_PIN_SET);  // 蜂鸣器报警
    HAL_Delay(500);
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_3, GPIO_PIN_RESET);  // 关闭蜂鸣器
}

int main(void)
{
    System_Init();
    
    while (1)
    {
        Measure_Environment();  // 测量环境参数
        Display_Data();         // 显示数据
        Store_Data();           // 存储数据
        Remote_Monitoring();    // 远程监控上传
        Check_Alarm();          // 检查报警条件
        HAL_Delay(1000);        // 每秒更新一次
    }
}
4. 各模块代码
温湿度传感器

通过 DHT11 传感器读取粮库内的温度和湿度：

#include "dht11.h"

// 初始化 DHT11 传感器
void DHT11_Init(void)
{
    // 配置 GPIO，用于读取温湿度数据
}

// 读取温湿度数据
void DHT11_ReadData(float* temperature, float* humidity)
{
    // 读取传感器数据并转换为温湿度
    *temperature = 25.0;  // 假设当前温度为 25°C
    *humidity = 60.0;     // 假设当前湿度为 60%
}
二氧化碳传感器

通过 MG811 传感器监控粮库内 CO2 的浓度：

#include "co2_sensor.h"

// 初始化 CO2 传感器
void CO2_Sensor_Init(void)
{
    // 配置 ADC，用于读取 CO2 浓度
}

// 读取 CO2 数据
float CO2_Sensor_Read(void)
{
    // 从传感器读取 CO2 浓度
    return 900.0;  // 假设当前 CO2 浓度为 900 ppm
}
气体传感器

通过 MQ-135 传感器检测其他有害气体：

#include "gas_sensor.h"

// 初始化气体传感器
void Gas_Sensor_Init(void)
{
    // 配置 ADC，用于读取气体浓度
}

// 读取气体数据
float Gas_Sensor_Read(void)
{
    // 从传感器读取有害气体浓度
    return 150.0;  // 假设有害气体浓度为 150 ppm
}
SD 卡数据存储

将环境监测数据存储到 SD 卡中，便于后续分析：

#include "sdcard.h"

// 初始化 SD 卡模块
void SD_Card_Init(void)
{
    // 配置 SPI 接口，初始化 SD 卡
}

// 存储数据到 SD 卡
void SD_Card_Write(float temperature, float humidity, float co2, float gas)
{
    // 将数据写入 SD 卡
}
Wi-Fi 远程监控

通过 Wi-Fi 模块将环境数据上传到服务器，实现远程监控：

#include "wifi.h"

// 初始化 Wi-Fi 模块
void WiFi_Init(void)
{
    // 配置 USART 接口，初始化 Wi-Fi 模块
}

// 上传数据到远程服务器
void WiFi_SendData(float temperature, float humidity, float co2, float gas)
{
    // 通过 Wi-Fi 发送数据
}
OLED 显示

OLED 显示屏用于显示当前的温湿度、CO2 浓度和有害气体浓度等数据：

#include "oled.h"

// 初始化 OLED 显示屏
void OLED_Init(void)
{
    // OLED 初始化代码
}

// 显示字符串
void OLED_ShowString(uint8_t x, uint8_t y, const char *str)
{
    // 在 OLED 显示屏上显示字符串
}

// 显示浮点数
void OLED_ShowFloat(uint8_t x, uint8_t y, float num, uint8_t decimal_places)
{
    // 显示带小数的数值
}

// 清屏
void OLED_Clear(void)
{
    // 清除 OLED 显示内容
}

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系统工作原理

  • 环境监测：系统通过温湿度传感器、二氧化碳传感器和气体传感器，实时监测粮仓内的温湿度、CO2浓度和有害气体浓度。每隔一段时间，系统会对传感器进行数据采集，并显示在 OLED 屏幕上。

  • 数据存储与上传：系统将监测到的数据存储在SD卡中，便于后续分析。同时，系统通过 Wi-Fi 模块将环境数据上传到远程服务器，便于管理人员在远程监控粮库的情况。

  • 报警功能：系统设置了温度、湿度、CO2浓度和有害气体浓度的阈值。当某一项指标超过设定的阈值时，系统将启动蜂鸣器发出报警，并通过Wi-Fi向管理人员发送警报信息。

常见问题与解决方法

1. 温湿度测量不准确
  • 问题原因：传感器位置不当或受到环境干扰。
  • 解决方法：将传感器安装在远离门窗、通风口的位置，以减少外界影响。
2. 二氧化碳浓度过高报警
  • 问题原因：粮仓通风不良，CO2无法散发。
  • 解决方法：加强粮仓的通风，或者定期检查通风系统是否正常运行。
3. Wi-Fi连接不稳定
  • 问题原因：Wi-Fi模块信号弱或网络配置错误。
  • 解决方法：确保Wi-Fi信号覆盖良好，并正确配置网络连接参数。

扩展功能

  • 自动通风控制：可以通过继电器模块控制风机的开关，在CO2浓度或温湿度超标时自动开启通风设备。

  • 手机APP监控：开发手机APP，用户可以通过手机随时查看粮库的温湿度和气体浓度等信息。

  • 数据分析与预测：结合历史数据，使用数据分析算法预测未来可能的环境变化趋势，帮助用户提前做出应对决策。

结论

通过本项目，我们设计了一个基于STM32的粮库检测系统，能够实时监控粮库内的温湿度、CO2浓度和有害气体等关键环境指标，并通过Wi-Fi远程上传数据，确保粮食储存的安全性和质量。系统具备数据存储、报警提示和远程监控等功能，适用于大中型粮库的环境监测和管理。未来可以通过增加自动控制功能，进一步提升系统的智能化水平。

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http://www.kler.cn/news/362025.html

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