基于物聯(lián)網(wǎng)的凍保鮮運輸智能控制系統(tǒng)設計文檔

1. 項目開發(fā)背景

隨著全球化貿(mào)易的發(fā)展，冷鏈物流在現(xiàn)代運輸行業(yè)中扮演著日益重要的角色。尤其是凍品、食品、藥品等對運輸環(huán)境有著嚴格要求的貨物，其運輸過程中溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)必須嚴格控制，以確保貨物的品質不受損害。為了解決這一問題，開發(fā)一個基于物聯(lián)網(wǎng)技術的凍保鮮運輸智能控制系統(tǒng)變得尤為重要。該系統(tǒng)可以實時監(jiān)控運輸環(huán)境中的溫度、濕度、震動等參數(shù)，并根據(jù)預設的閾值進行自動調節(jié)，同時通過無線傳輸將數(shù)據(jù)上傳至云端平臺，進行實時監(jiān)控和歷史數(shù)據(jù)分析，確保運輸過程中的貨物處于最佳環(huán)境狀態(tài)。

該系統(tǒng)的主要應用場景是冷鏈物流行業(yè)中的凍品運輸，系統(tǒng)通過嵌入式硬件和物聯(lián)網(wǎng)通信技術實現(xiàn)了對運輸環(huán)境的實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、設備控制、預警報警等多項功能。本項目通過STM32F103C8T6單片機作為核心控制單元，采用溫濕度傳感器、震動傳感器、GPS定位模塊等硬件，通過Wi-Fi模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳，并借助MQTT協(xié)議與華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺進行數(shù)據(jù)存儲與分析。

2. 設計實現(xiàn)的功能

2.1 溫度監(jiān)測與控制

系統(tǒng)通過溫度傳感器實時采集運輸環(huán)境的溫度數(shù)據(jù)，當溫度超過設定閾值時，自動啟動制冷風機進行降溫，以確保運輸環(huán)境溫度處于適宜范圍。

2.2 濕度監(jiān)測與控制

系統(tǒng)通過濕度傳感器實時監(jiān)控運輸環(huán)境中的濕度，當濕度低于設定值時，自動啟動加濕器進行加濕，維持運輸環(huán)境中的濕度在合理范圍內。

2.3 震動監(jiān)測與報警

通過震動傳感器檢測運輸過程中是否發(fā)生劇烈震動，當震動強度超過設定值時，系統(tǒng)通過蜂鳴器報警，提醒司機減少行駛速度，確保貨物不受損害。

2.4 數(shù)據(jù)顯示與手動設置

系統(tǒng)通過顯示屏實時展示當前的溫度、濕度、震動等環(huán)境數(shù)據(jù)，司機可通過按鍵設置溫度和濕度的預警閾值，便于進行手動調整。

2.5 無線數(shù)據(jù)傳輸與遠程監(jiān)控

通過Wi-Fi模塊，系統(tǒng)將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)上傳至華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺，用戶可通過手機APP或PC端查看實時數(shù)據(jù)，同時也可查看歷史數(shù)據(jù)和趨勢分析。

2.6 GPS定位與實時位置監(jiān)控

通過GPS定位模塊獲取車輛當前位置的經(jīng)度和緯度，并將位置數(shù)據(jù)上傳至云端平臺，用戶可以實時查看車輛的位置。

2.7 數(shù)據(jù)上云與歷史記錄存儲

系統(tǒng)將通過MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳至華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺，進行數(shù)據(jù)存儲和歷史記錄分析，便于后期查閱和數(shù)據(jù)趨勢分析。

3. 項目硬件模塊組成

本系統(tǒng)由多個硬件模塊組成，涉及環(huán)境監(jiān)測、設備控制、數(shù)據(jù)傳輸、位置跟蹤等功能。具體硬件模塊包括：

當前項目使用的相關軟件工具、模塊源碼已經(jīng)上傳到網(wǎng)盤：
[https://ccnr8sukk85n.feishu.cn/wiki/QjY8weDYHibqRYkFP2qcA9aGnvb?from=from_copylink]

3.1 主控芯片：STM32F103C8T6

STM32F103C8T6是STMicroelectronics公司推出的32位ARM Cortex-M3內核的單片機，具有較高的處理能力和豐富的外設接口，適合應用于嵌入式控制系統(tǒng)中。該芯片提供了足夠的GPIO口、串口、定時器等外設，能夠滿足溫濕度傳感器、震動傳感器、GPS模塊、Wi-Fi模塊等外設的控制需求。

3.2 溫度傳感器：DHT22

DHT22是一款常用的數(shù)字溫濕度傳感器，能夠同時提供溫度和濕度的測量結果。其溫度測量范圍為-40°C至80°C，濕度測量范圍為0%-100%，精度較高，適合用于冷鏈運輸中的溫濕度監(jiān)測。

3.3 濕度傳感器：DHT22（與溫度傳感器共用）

由于DHT22傳感器同時具備溫度和濕度測量功能，因此可以使用同一個傳感器進行環(huán)境濕度的監(jiān)測。

3.4 震動傳感器：SW-420

SW-420是一款震動傳感器模塊，可以檢測物體的震動。當震動強度超過設定的閾值時，模塊輸出一個高電平信號，系統(tǒng)可根據(jù)此信號進行報警或采取其他處理。

3.5 制冷風機與加濕器控制模塊

系統(tǒng)通過繼電器控制模塊實現(xiàn)對制冷風機和加濕器的控制。當溫度超過設定閾值時，系統(tǒng)啟動制冷風機；當濕度低于設定閾值時，系統(tǒng)啟動加濕器。

3.6 蜂鳴器

蜂鳴器用于震動監(jiān)測報警，當運輸過程中發(fā)生劇烈震動時，蜂鳴器將發(fā)出警報，提醒司機注意。

3.7 顯示屏：LCD1602

LCD1602是一款常用的液晶顯示屏，能夠顯示溫度、濕度、震動等環(huán)境數(shù)據(jù)，司機可以通過該屏幕查看當前的環(huán)境參數(shù)。

3.8 按鍵模塊

按鍵模塊用于設置溫度和濕度的預警閾值，司機可以根據(jù)需要調整閾值。

3.9 Wi-Fi模塊：ESP8266

ESP8266是一個低成本的Wi-Fi模塊，支持Wi-Fi通信，可以將采集到的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡傳輸?shù)皆破脚_，支持MQTT協(xié)議，與華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺進行數(shù)據(jù)交互。

3.10 GPS定位模塊：NEO-6M

NEO-6M是一款高精度的GPS模塊，可以提供車輛的經(jīng)度、緯度和時間信息，用于實時監(jiān)控車輛位置。

4. 設計思路

4.1 系統(tǒng)架構

本系統(tǒng)的整體架構包括嵌入式硬件系統(tǒng)、無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、云端平臺與用戶端三個部分。系統(tǒng)通過傳感器實時采集運輸環(huán)境中的數(shù)據(jù)，STM32F103C8T6主控芯片負責數(shù)據(jù)處理與控制。當某一參數(shù)超過設定閾值時，控制模塊將觸發(fā)對應的控制動作（如啟動制冷風機、加濕器或報警）。同時，數(shù)據(jù)通過Wi-Fi模塊上傳到華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺，用戶可以在手機APP或PC端實時查看數(shù)據(jù)并進行遠程監(jiān)控。

4.2 數(shù)據(jù)采集與處理

• 溫濕度監(jiān)測： 溫濕度傳感器定期向系統(tǒng)提供溫度和濕度數(shù)據(jù)，STM32F103C8T6通過定時器定時讀取傳感器數(shù)據(jù)。
• 震動監(jiān)測： 震動傳感器監(jiān)測運輸過程中的震動情況，當震動超過設定的閾值時，STM32F103C8T6通過蜂鳴器模塊發(fā)出警報。
• GPS定位： GPS模塊提供實時的車輛經(jīng)度和緯度信息，STM32F103C8T6定期讀取GPS模塊的數(shù)據(jù)并通過Wi-Fi模塊上傳至云平臺。

4.3 設備控制

• 制冷風機與加濕器： 當溫度或濕度不在預設范圍內時，控制模塊將觸發(fā)繼電器，啟動或停止制冷風機與加濕器。
• 報警機制： 當震動傳感器檢測到劇烈震動時，蜂鳴器發(fā)出警報，提醒司機注意。

4.4 數(shù)據(jù)上傳與云端監(jiān)控

• Wi-Fi上傳： ESP8266 Wi-Fi模塊將采集的數(shù)據(jù)通過MQTT協(xié)議上傳至華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺。數(shù)據(jù)通過云端存儲，并可通過手機APP或PC端查看。
• 數(shù)據(jù)存儲與分析： 云平臺存儲歷史數(shù)據(jù)，用戶可以查看歷史數(shù)據(jù)圖表，進行趨勢分析。

4.5 用戶界面與操作

• 顯示界面： LCD1602顯示屏實時展示溫度、濕度、震動等環(huán)境數(shù)據(jù)，便于司機現(xiàn)場監(jiān)控。
• 按鍵操作： 司機可以通過按鍵調整溫濕度的預警閾值。

5. 系統(tǒng)功能總結

6. 使用的模塊的技術詳情介紹

6.1 STM32F103C8T6

STM32F103C8T6是基于ARM Cortex-M3核心的32位單片機，具有高性能和低功耗的特點。它內置了豐富的外設接口，包括UART、SPI、I2C、GPIO等，能夠滿足各種外設的控制需求。其主頻為72MHz，性能足以應對溫濕度采集、震動監(jiān)測、GPS定位等實時任務。

6.2 DHT22溫濕度傳感器

DHT22是一款數(shù)字式溫濕度傳感器，采用單總線通信方式，與MCU通信非常方便。其溫度測量范圍為-40°C至80°C，濕度測量范圍為0%-100%。它適合用于精確的環(huán)境監(jiān)測，且具有較高的穩(wěn)定性。

6.3 SW-420震動傳感器

SW-420震動傳感器是一款基于機械開關的震動感應模塊，當傳感器感應到震動時，其輸出引腳會輸出高電平信號。系統(tǒng)可以根據(jù)此信號進行報警或其他處理。

6.4 ESP8266 Wi-Fi模塊

ESP8266是一個低成本、高效能的Wi-Fi模塊，內置了TCP/IP協(xié)議棧，支持Wi-Fi通信。它能夠與MCU通過串口進行通信，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。其支持MQTT協(xié)議，適合用于物聯(lián)網(wǎng)應用。

6.5 NEO-6M GPS模塊

NEO-6M是一款高精度的GPS模塊，能夠提供經(jīng)度、緯度、高度、時間等信息。它支持多個衛(wèi)星系統(tǒng)，包括GPS和GLONASS，具有較高的定位精度。

7. 總結

本系統(tǒng)基于STM32F103C8T6單片機，結合溫濕度傳感器、震動傳感器、GPS模塊、Wi-Fi模塊等硬件，實現(xiàn)了對凍品運輸環(huán)境的實時監(jiān)控與智能控制。系統(tǒng)通過無線數(shù)據(jù)傳輸將采集到的數(shù)據(jù)上傳至華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺，便于用戶進行遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析。通過合理的硬件選型和數(shù)據(jù)處理算法，系統(tǒng)能夠保證運輸過程中貨物處于最佳環(huán)境中，同時提供了可靠的預警報警機制，保障了運輸安全。

此外，本系統(tǒng)具有較強的擴展性，未來可以增加更多傳感器或控制模塊，如光照傳感器、空氣質量傳感器等，以實現(xiàn)更加精細的環(huán)境管理。

8. STM32代碼設計

以下是完整的 main.c 代碼，用于實現(xiàn)基于STM32F103C8T6的“凍保鮮運輸智能控制系統(tǒng)”。

在該代碼中，系統(tǒng)會通過采集溫度、濕度、震動等數(shù)據(jù)并進行實時控制，如超標時啟動加濕器、風機等設備。此外，數(shù)據(jù)通過Wi-Fi上傳到云端，便于遠程監(jiān)控。

main.c 示例代碼：

#include "stm32f10x.h"
#include "DHT22.h"       // 溫濕度傳感器頭文件
#include "SW420.h"        // 震動傳感器頭文件
#include "Buzzer.h"       // 蜂鳴器控制頭文件
#include "GPS.h"          // GPS模塊頭文件
#include "WiFi.h"         // Wi-Fi模塊頭文件
#include "LCD1602.h"      // LCD顯示屏頭文件
#include "RelayControl.h" // 繼電器控制頭文件

// 設置溫度和濕度閾值
#define TEMP_THRESHOLD_HIGH 10   // 溫度上限10°C
#define TEMP_THRESHOLD_LOW 5     // 溫度下限5°C
#define HUMIDITY_THRESHOLD_LOW 40  // 濕度下限40%
#define HUMIDITY_THRESHOLD_HIGH 60 // 濕度上限60%
#define VIBRATION_THRESHOLD 500   // 震動閾值

// 當前傳感器數(shù)據(jù)存儲
float current_temperature = 0.0f;
float current_humidity = 0.0f;
int vibration_level = 0;
float latitude = 0.0f;
float longitude = 0.0f;

// 系統(tǒng)初始化函數(shù)
void System_Init(void) {
    // 初始化LCD顯示屏
    LCD_Init();
    
    // 初始化蜂鳴器
    Buzzer_Init();
    
    // 初始化溫濕度傳感器
    DHT22_Init();
    
    // 初始化震動傳感器
    SW420_Init();
    
    // 初始化GPS模塊
    GPS_Init();
    
    // 初始化Wi-Fi模塊
    WiFi_Init();
    
    // 初始化繼電器控制（制冷風機、加濕器）
    RelayControl_Init();
}

// 傳感器數(shù)據(jù)采集函數(shù)
void Collect_Sensor_Data(void) {
    // 獲取溫濕度傳感器數(shù)據(jù)
    current_temperature = DHT22_Read_Temperature();
    current_humidity = DHT22_Read_Humidity();
    
    // 獲取震動傳感器數(shù)據(jù)
    vibration_level = SW420_Read_Vibration();
    
    // 獲取GPS定位數(shù)據(jù)
    latitude = GPS_Get_Latitude();
    longitude = GPS_Get_Longitude();
}

// 控制設備（如風機、加濕器）和報警
void Control_Devices(void) {
    // 檢查溫度是否超標
    if (current_temperature > TEMP_THRESHOLD_HIGH) {
        RelayControl_StartCooling();  // 啟動制冷風機
    } else if (current_temperature < TEMP_THRESHOLD_LOW) {
        RelayControl_StopCooling();  // 停止制冷風機
    }
    
    // 檢查濕度是否超標
    if (current_humidity < HUMIDITY_THRESHOLD_LOW) {
        RelayControl_StartHumidifier();  // 啟動加濕器
    } else if (current_humidity > HUMIDITY_THRESHOLD_HIGH) {
        RelayControl_StopHumidifier();  // 停止加濕器
    }
    
    // 震動檢測，如果震動值超過閾值，觸發(fā)報警
    if (vibration_level > VIBRATION_THRESHOLD) {
        Buzzer_On();  // 開啟蜂鳴器報警
    } else {
        Buzzer_Off(); // 關閉蜂鳴器
    }
}

// 數(shù)據(jù)上傳至云端（使用MQTT協(xié)議）
void Upload_Data_To_Cloud(void) {
    // 將數(shù)據(jù)上傳到云平臺
    char message[256];
    
    // 構造消息內容
    sprintf(message, "Temperature: %.2f, Humidity: %.2f, Vibration: %d, Latitude: %.6f, Longitude: %.6f", 
            current_temperature, current_humidity, vibration_level, latitude, longitude);
    
    // 發(fā)送數(shù)據(jù)到MQTT服務器
    WiFi_MQTT_Publish("frozen_transport/data", message);
}

// 顯示數(shù)據(jù)到LCD屏幕
void Display_Data(void) {
    // 清除LCD屏幕
    LCD_Clear();
    
    // 顯示溫度、濕度和震動值
    LCD_SetCursor(0, 0);
    LCD_Printf("Temp: %.2f C", current_temperature);
    
    LCD_SetCursor(1, 0);
    LCD_Printf("Humidity: %.2f %%", current_humidity);
    
    LCD_SetCursor(2, 0);
    LCD_Printf("Vibration: %d", vibration_level);
    
    LCD_SetCursor(3, 0);
    LCD_Printf("Lat: %.6f Lon: %.6f", latitude, longitude);
}

int main(void) {
    // 系統(tǒng)初始化
    System_Init();
    
    // 主循環(huán)
    while (1) {
        // 1. 采集傳感器數(shù)據(jù)
        Collect_Sensor_Data();
        
        // 2. 控制設備（如風機、加濕器）并觸發(fā)報警
        Control_Devices();
        
        // 3. 上傳數(shù)據(jù)至云端
        Upload_Data_To_Cloud();
        
        // 4. 顯示數(shù)據(jù)到LCD
        Display_Data();
        
    }
}

// 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
        }
    }
}

代碼解析

1. 系統(tǒng)初始化 (System_Init) ：
   • 進行各個硬件模塊的初始化，包括LCD顯示、蜂鳴器、傳感器（溫濕度、震動、GPS）、Wi-Fi模塊和繼電器控制（風機、加濕器）。
2. 傳感器數(shù)據(jù)采集 (Collect_Sensor_Data) ：
   • 從溫濕度傳感器、震動傳感器和GPS模塊讀取數(shù)據(jù)，并將其存儲到相應的變量中。
3. 設備控制與報警 (Control_Devices) ：
   • 根據(jù)采集的溫濕度數(shù)據(jù)，控制風機和加濕器的啟停。如果溫度高于設定閾值，則啟動制冷風機；如果濕度低于設定閾值，則啟動加濕器。
   • 檢測震動傳感器的輸出，當震動超出預設閾值時，觸發(fā)蜂鳴器報警。
4. 數(shù)據(jù)上傳至云端 (Upload_Data_To_Cloud) ：
   • 將溫度、濕度、震動、GPS位置等數(shù)據(jù)通過Wi-Fi模塊上傳到云平臺。使用MQTT協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。
5. 顯示數(shù)據(jù)到LCD (Display_Data) ：
   • 在LCD顯示屏上顯示當前的溫度、濕度、震動值以及GPS經(jīng)緯度。
6. 模塊與功能

• DHT22 ：溫濕度傳感器，支持數(shù)字信號輸出，提供溫度和濕度數(shù)據(jù)。
• SW420 ：震動傳感器，當震動超過一定閾值時，輸出信號。
• Buzzer ：蜂鳴器，用于在震動過大時發(fā)出警報。
• GPS ：GPS模塊，用于實時獲取經(jīng)度和緯度數(shù)據(jù)。
• Wi-Fi (ESP8266) ：Wi-Fi模塊，通過MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳到云端。
• RelayControl ：繼電器控制模塊，用于控制制冷風機和加濕器的開關。

該代碼實現(xiàn)了凍保鮮運輸智能控制系統(tǒng)的核心功能：環(huán)境監(jiān)控（溫度、濕度、震動）、設備控制（制冷風機、加濕器）、報警系統(tǒng)（蜂鳴器）、數(shù)據(jù)展示（LCD）和無線數(shù)據(jù)上傳（Wi-Fi）。系統(tǒng)能夠實時監(jiān)控運輸環(huán)境，保證貨物在運輸過程中處于最佳狀態(tài)。

審核編輯 黃宇