仓库温湿度监控系统设计.docx
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仓库温湿度监控系统设计
仓库温湿度监控系统设计
摘要
如今的科学信息技术的不断进步，温度与湿度对我们的生产与生活有着较大的影响，例如仓库环境的温湿度关乎到仓库内物资的存储有着重大的关系。
然而一般的温度和湿度测量方法以及无法达到人们的需求。
所以，研发一种高性能、低成本、实时监控仓库温湿度的系统成为了该领域的研究重点。
本系统设计基于STM32的温湿度监控系统，主要由STM32F40ZGT6开发板（单片机系统、电源模块、蜂鸣器报警电路）、温湿度传感器模块电路、蓝牙传输模块等组合而成。
软件编译程序设置仓库的温湿度安全存储的范围值，不在安全范围内则启动报警。
通过软件、硬件技术的结合，检测的精确度和可靠性有了更好的保障，给仓库工作人员提供了一套智能监控系统，使仓库温湿度得到了精度高的实时监测，这样仓库得到了更好的管理。
关键词：
单片机系统；仓库环境；温湿度检测；智能监控
TemperatureandHumidityMonitoringSystemforWarehouse
Abstract
Withthecontinuousprogressofscienceandinformationtechnologytoday,temperatureandhumidityhaveagreaterimpactonourproductionandlife.Forexample,thetemperatureandhumidityofthewarehouseenvironmentarerelatedtothestorageofmaterialsinthewarehouse.However,thegeneraltemperatureandhumiditymeasurementmethodscannotmeetpeople'sneeds.Therefore,theresearchanddevelopmentofahighperformance,lowcost,real-timemonitoringwarehousetemperatureandhumiditysystemhasbecomethefocusofthisfield.
ThissystemdesignsatemperatureandhumiditymonitoringsystembasedonSTM32,whichismainlycomposedofSTM32F40ZGT6developmentboard（singlechipcomputersystem,powersupplymodule,buzzeralarmcircuit）,temperatureandhumiditysensormodulecircuit,bluetoothtransmissionmodule,etc.Thesoftwarecompilersetstherangevalueforsafestorageoftemperatureandhumidityinthewarehouse,andstartsthealarmifitisnotwithinthesaferange.Throughthecombinationofsoftwareandhardwaretechnology,theaccuracyandreliabilityofthedetectionarebetterguaranteed,andasetofintelligentmonitoringsystemisprovidedforwarehousestaff,sothatthewarehousetemperatureandhumidityaremonitoredinrealtimewithhighaccuracy,andthusthewarehouseisbettermanaged.
Keywords:
Singlechipmicrocomputersystem;Warehouseenvironment;Temperatureandhumiditydetection;Intelligentmonitoring
1前言
1.1课题研究的背景及发展概况
温湿度在人类生活中受到密切的关注，室内温湿度不宜过高或者过低，人体散热功能、呼吸道等也会受到一定的影响，从而影响到了人类的生存舒适感。
这两者不仅影响到人的体感温度，在生产工业方面，特别是对于仓库来说，存储的物资是否安全的保存仓库内环境参数的影响。
在一些对环境参数要去比较高的地方，比如在大中型仓库内环境的管理和监控等方面，仓库内的温湿度等环境参数是否适合仓库物资的存储条件决定了仓库物资是否能否完好的保存。
因此，仓库的温湿度成为了现代存储仓库物资的必要因素指标。
温湿度对仓库内防止发霉而变质、防止潮湿、防止火灾等引起的安全隐患有着必不可少的作用，所以仓库监控管理的重点就是要高效率的监控仓库内的温度及湿度等参数，以便及时发现仓库里的温湿度是否达标，减少不必要的损失及安全隐患。
然而，传统的仓库管理需要人工进入闷热、呛人的仓库内，利用温度计、湿度计、湿度纸等较为简单的测量工具来不断测量仓库内的温湿度，而对仓库进行升、降温时，由于不同的环境，参数也会存在许多大大小小的误差。
这样不但达不到实时监控的效果、精度不高，而且需要大量的操作人员需要花费大量的时间和精力。
本文介绍了一种以STM32单片机为核心处理器，主要用于每时每刻测量和记录仓库内的温湿度参数情况，当仓库温湿度超出存储条件的设定范围值时，系统将启蜂鸣器报警装置发出报警现象，达到对仓库温湿度的监控和预警的目标。
此外，还可以通过连接手机端蓝牙APP对仓库的检测到的温湿度进行远程监视及查询，实现了远程监控温湿度的实时值，且当温湿度不在设定的存储条件范围时，会在手机端发出报警提示，减小了不必要的安全隐患。
1.2本设计的目的、意义及应达到的技术要求
本设计的目的是为了解决每时每刻的监测温度和湿度和不需要在现场而是远距离监控仓库内的温湿度。
仓库的环境参数情况直接影响了仓库所存放的物品的使用保质期的长短和运行的可靠性。
由此得知，仓库环境的温度和湿度参数的检测与调控，温度和湿度对仓库环境的安全可靠性来说是非常关键的，合适稳定的储存环境对货物的质量保证尤为重要。
最近几年来，由于国内科学和信息技术的普及和飞速发展，性能高、精度高的设备也越来越多，各种行业对仓库所存放的物品要求非常的严格，从而仓库需要更加适合及稳定的温湿度。
测量温度和湿度的常用传统方法是基于人的劳动力，使用人工的方式来测量及记录仓库温湿度。
这种方式不但效率不高,而且不能实现每时每刻对仓库存储环境参数温度和湿度进行检测,如果环境参数温湿度不稳定甚至超过仓库存储物品所需的适宜值,可能会导致仓库存储物品的质量损毁,严重的情况下将仓库存储的物品报废,会给制造商带来无法弥补的损失。
现在中国可以实现远程操控仓库环境的温湿度系统还比较少见,但是国外流行的多功能的仓库远程控制系统的价格极高,这不符合我国仓库管理行业的发展状况。
一般传统的温湿度测量需要大量的人工劳动力到仓库内进行测量和管理，众所周知，仓库的环境是闷热的、呛人的，人工一般是利用普通温度计、湿度计、湿度纸等较为简单传统的测量工具来不断测量仓库内的温湿度，而人工测量不可能每时每刻都对温湿度进行准确的测量，比如对仓库进行升、降温时，在不同的环境下测量，参数也会受到环境的变化存在着许多大大小小的误差。
这样不但耗费的人工精力大，还达不到实时监测到精确的温湿度参数的效果，有时候达不到绝对的安全隐患。
本设计主要研究一套低成本、高效率的仓库温湿度监控设计，满足仓库的现在发展的需求。
本设计实现的技术要求如下：
1、设计基于STM32F407ZGT6微机的仓库温湿度监控系统，检测仓库里的温度和湿度的状况；
2、将监测到的温湿度数值并通过蓝牙传输到手机端；
3、对于温度、湿度的范围可按照所需的要求进行编程创建设置；
4、结合手机端的蓝牙传输的数据对系统进行检测检测及控制，实现智能监控和报警的功能。
1.3设计目标
1、完成仓库温湿度的监控系统整体设计；
2、完成监控系统各个模块的选项和搭建；
3、通过编写程序创建设定仓库温湿度的范围；
4、系统采集到的温湿度可以通过蓝牙传输到移动客户端。
2系统设计
本系统设计基于STM32的温湿度监控系统，主要由STM32F40ZGT6开发板（单片机系统、电源模块、蜂鸣器报警电路）、温湿度传感器模块电路、蓝牙传输模块等组合而成。
通过软件编译程序设置仓库的温湿度安全存储的范围值，蜂鸣器报警电路在安全范围内则不启动报警，不在安全范围内则启动报警。
通过软件、硬件技术的结合，自动检测的精确度和可靠性有了更好的保障，给仓库工作人员提供了一套智能监控系统，不仅降低了人工劳动力和成本，而且使仓库温湿度得到了精度高的实时监测，仓库存储的物品质量有了更好的保障，降低了物品的损坏以及报废的几率，从而使得仓库管理行业工作效率更高，更加有保障。
本设计系统非常的具有现实使用价值和意义。
2.1硬件电路方案设计
硬件电路主要以单片机STM32F407为监控系统主控制器，其核心为CORTEXM4，通过温湿度传感器检测到的温湿度通蓝牙模块传输到移动客户端，在检测温湿度之前先通过程序编写创建设置仓库内规定要求温湿度的安全范围，当采集到的温湿度值超出所编程创建输入的范围值时，系统则会通过启动蜂鸣器报警，实现监控仓库安全参数的效果。
系统框架如下图2.1所示。
图2.1系统整体框架
仓库温湿度监控系统设计由以下几个部分组成：
1、STM32F407开发板包含：
（1）STM32F207ZGT6最小系统模块；
（2）蜂鸣器报警模块；
（3）电源模块；
2、温湿度传感器模块；
3、蓝牙模块。
2.2软件编程方案设计
Keil是由基于51系列的编程编译系统，它容纳微机C语言。
在功能和构造上有很明显的优点。
C语言编程数据类型丰富、结构完整、简单易用。
在本次设计中，通过编程c程序来控制整个系统的运行，因为分模块写程序的话比较简单并清晰，因此，把整个温湿度监控系统分为几个模块变编写程序，其中包括系统的main程序、检测温湿度数据模块的程序、蜂鸣器报警程序、蓝牙模块连接移动客户端的程序等。
3硬件电路各模块选择方案
3.1STM32F407单片机模块
在本设计中STM32F407主核板，在电路中，主要使用了以CORTEXM4为核心的STM32407ZGT6作为最小系统，还有蜂鸣器报警模块、嵌入式Flash存储器、按键输入模块等。
STM32系列单片机有着性能高、成本低、功耗低等特点，它是一种集成电路芯片，它将CPU、Flash、I/口、定/计时器、中断等基本模块集合在一起成为一个微型系统。
在本设计中的主控制器选择了单片机芯片。
单片机的种类多种多样，详细如下表3.1所示，对它们进行对比举例分析。
表3.1单片机详细对比表
种类
描述
STM32单片机
是STC公司生产的芯片，具有低功耗、高性能、功能强大、低成本的特点，外部资源充足，满足了绝大多数设备的设计需求。
并且具有32位CPU，处理速度快、出错率低。
STC单片机
STC公司的单片机主要是基于8051内核，是新一代增强型单片机，指令代码完全兼容传统8051，速度快8～12倍，带ADC，4路PWM，双串口，有全球唯一ID号，加密性好，抗干扰强。
PIC单片机
是MICROCHIP公司的产品，其突出的特点是体积小，功耗低，精简指令集，抗干扰性好，可靠性高，功能全，有较强的模拟接口，代码保密性好，大部分芯片有其兼容的FLASH程序存储器的芯片。
ATMEL单片机（51单片机）
ATMEL公司的8位单片机有AT89、AT90两个系列，AT89系列是8位Flash单片机，与8051系列单片机相兼容，静态时钟模式；AT90系列单片机是增强RISC结构、全静态工作方式、内载在线可编程Flash的单片机，也叫AVR单片机。
HOLTEK单片机
台湾盛扬半导体的单片机，价格便宜，种类较多，但抗干扰较差，适用于消费类产品。
松翰单片机（SONIX）
台湾松翰公司生产的单片机，大多为8位机，有一部分与PIC8位单片机兼容，价格便宜，系统时钟分频可选项较多，有PMWADC内振内部杂讯滤波。
缺点是RAM空间过小，优点是抗干扰较好。
对比以上这几种单片机可知在本设计中STM32F407ZGT6芯片成为解决方案的首选，选择STM32作为主控制器可以高效的解决所需功能。
芯片的外观如下图3.1所示。
图3.1开发板外观图
3.2温湿度传感器模块
本设计中通过温湿度传感器用来检测仓库温湿度参数。
通过对比两种方案来选择，第一种是通过DS18B20温度传感器和HS1101电容式湿度传感器合并起来去采集温湿度的数据，第二种是直接有一个DHT11温湿度传感器来采集温湿度的数据。
具体分析如下：
DS18B20温度传感器和HS1101电容式湿度传感器的测量范围及测量具体如表3.1、表3.2：
表3.2DS18B20温度传感器
特性
描述
测量范围
-55℃~125℃，-10℃~85℃
特点
体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，误差小
最高精度可达0.0625℃
表3.3HS1101电容式湿度传感器
特性
描述
测量范围
0%~100%RH
特点
误差较小
由上述的温湿传感器和湿度传感器可以满足本设计的要求，但若分别采用温度和湿度传感器分别对温度的数值和湿度的数值进行记录采集的话，不但用起来不方便，增加了累赘，在硬件电路上会增加了一个模块的电路，软件上的编程量也会增加很多，复杂了很多，增加了编程的负担，影响编译和调试的效率。
故不适合本设计的应用。
DHT11温湿度传感器的特点如表3.4：
表3.4HT11温湿度传感器
测量范围
温度：
0－50℃
湿度：
20－90％RH
精度
温度：
±2℃
湿度：
±5％RH
特点
响应快、抗扰能力强、性价比高
DHT11温湿度传感器测量范围和精度虽然没有单独的DS18B20温度传感器和HS1101电容式湿度传感器的好，但是本设计适用于仓库环境的温湿度的测量和记录，0-50%和20-90%RH已经达到了测量的要求，所以符合本次毕业设计的要求。
综上所述，单独分开两个传感器虽然精度更精确，但是用起来复杂，编程也麻烦。
DHT11虽然精度测量不是很高。
本设计为仓库环境的温湿度范围DHT11却也能满足所需要求，且简便易行，可靠稳定，成本较低，具有超高的性价比。
故选取了DHT11作为本次温湿度传感器的温湿度测量模块。
3.3报警模块
在单片机应用的设计上，很多方案会用蜂鸣器作为报警装作，因为它的报警作用效果是较好的，性价比较高。
当遇到温湿度超出范围的时候，将启动蜂鸣器，还可以增加一个发光二极管起到视线的预警，这样就构成一个相对完整的报警装置。
本设计采用的是STM32F407增强型核心板，它板子自带蜂鸣器，用起来很方便，只要给它一个驱动，就可以发出声音实现报警的效果，所以本设计采用了蜂鸣器作为报警模块。
3.4蓝牙模块
本设计蓝牙模块采用蓝牙串口模块ATK-HC05，通过蓝牙连接移动客户端来显示温湿度传感器采集到的温度和湿度。
ATK-HC05是功能强大的主要和辅助集成蓝牙串行端口模块，可以与各种智能终端结合使用，包括计算机、蓝牙主机、移动电话、PDA和PSP模块支持广泛的波特率范围，使用起来非常灵活方便。
它兼容了5V和3.3V单片机系统，恰好符合了本设计的要求。
ATK-HC05模块的外观是比较小巧的，这也给我们的设计节省了空间。
ATK-HC05的特点和电气功能信息如下表3.5、表3.6所示：
表3.5ATK-HC05特点
项目
说明
接口特性
TTL，兼容3.3V/5V单片机系统
支持波特率
4800、9600（默认）、19200、38400、57600、115200、230400、460800、921600、1382400
其他特性
主从一体，指令切换，默认为从机。
带状态指示灯，带配对状态输出。
通信距离
10M（空旷地）
工作温度
-25度至75度
表3.6ATK-HC05电气功能信息
项目
说明
工作电压
DC3.3V~5.0V
工作电流
配对中：
30~40mA；配对完毕未通信：
1~8mA；通信中：
1~5~20mA
Voh
3.3V@VCC=3.3V3.7V@VCC=5.0V
Vol
0.4V（Max）
Vih
2.4V（Min）
Vil
0.4V（Max）
4硬件电路设计
4.1STM32主板电路
本设计采用核心Cortex-M4的单片机STM32F407ZGT6作为系统主板，主要包括：
STM32F407ZGT6最小系统电路（MCU、电源电路、复位电路、时钟源电路）、蜂鸣器报警电路、Flash存储器电路、按键电路。
4.1.1MCU
图4.1STM32F407芯片原理图
4.1.2电源电路
本设计的电源采用3.3V输入，电路中的电容则是滤波电路，如图4.2所示。
图4.2电源电路原理图
4.2蜂鸣器报警电路
本设计中的报警电路用到开发板自带的蜂鸣器，通过初始化通用I/O口，本设计选用PF6为此蜂鸣器的I/O口，初始化以及温湿度在安全范围时PF6为低电平，蜂鸣器不发出声音，当温湿度不在安全范围时电平拉高，此时三极管驱动蜂鸣器，使蜂鸣器发出声音启到报警的作用，如图4.3所示。
图4.3蜂鸣器报警电路远原理图
4.3温湿度传感器电路
本设计采用的是DHT11作为温湿度传感器电路，它的电路结构很简单，原理图如下图所示。
从原理图中可以看出其引脚，VCC接板子的3.3V电源，GND接板子的DND地端，因为DHT11温湿度传感器是复合传感器，已经标准了数字信号。
他采集温度和湿度合并在一起，只需要单总线接口来完成，DATA作为唯一的数据传输线，接通用I/O口,本设计接的是PG9。
如下图4.4所示。
图4.4DHT11电路原理图
1、DHT11引脚
引脚排列如下图4.5所示。
图4.5DHT11引脚图
DHT硬件电路连接说明如表4.1：
表4.1DHT11引脚说明
引脚1：
（VDD）
正电源输入引脚，供电电压为3~5.5V，这里把电源引脚接入系统的总电源5V。
引脚2：
（DOUT）
数据输出引脚，由于采用单总线，这里直接输出引脚到单片机。
的输入引脚。
引脚3：
（NC）
空脚，这里把该引脚悬空。
引脚4：
（VDD）
接地端，这里接入电源负极。
2、电气功能信息：
DHT11的相关电气功能信息说明如下表4.2所示：
图4.2DHT11的电气功能信息
参数
条件
Min
typ
max
单位
供电
DC
3
5
5.5
V
供电电流
测量
0.5
2.5
mA
平均
0.2
1
mA
待机
100
150
uA
采样周期
秒
1
次
它的外观图如下：
图4.6DHT11温湿度传感器外观图
4.5蓝牙模块电路
模块通过VCC、GND、TXD、RXD连接到单片机，这里面VCC是用来连接电源供电的，GND连接地端，STM32串口的TXD引脚接到蓝牙模块的RXD引脚、STM32串口的RXD引脚接到蓝牙模块的TXD引脚，引脚如下图4.7所示：
图4.8引脚外观图
从上面的外观图可以看出模块具体引脚，详细的功能及连接说明如下表4.3：
表4.3TK-HC05模块引脚功能说明
序号
名称
说明
1
VCC
电源（3.3V~5.0V）
2
GND
地
3
TXD
模块串口发送引脚，接单片机的TXD
4
RXD
模块串口接收引脚，接单片机的RXD
5
KEY
用于进入AT状态：
高电平有效（如果悬空则默认为低电平）
6
LED
配对状态输出：
配对成功时输出高电平；
没有配对时则输出低电平。
除了这些引脚外，该蓝牙模块还有一个状态指示灯（STA），在使用过程中有三种的状态，详细如表4.4：
表4.4ATK-HC05状态描述
状态
KEY引脚电平说明
描述
AT状态
模块上电时，将KEY设置为高电平时（接电源VCC）
指示灯STA的状态则是慢闪，1秒亮1次，波特率稳定在38400。
配对状态
HEY悬空或者是接地GND
指示灯STA的状态是快闪，1秒钟亮两次
配对成功
HEY悬空或者是接地GND
指示灯STA则出现双闪，即一次闪两下，两秒闪一次。
注：
在配对状态时，如果突然把KEY设置为高电平，模块也会进入AT状态，但是指示灯STA仍然保持快闪的状态。
图4.9ATK-HC05模块与主控制器连接示意图
5软件设计
5.1软件总体流程图
本设计系统运作的流程如下图5.1所示，首先先将STM32的功能引脚、温湿度传感器模块DHT11进行初始化，以保证后续驱动能够顺利完成。
驱动完成之后，进入主循环。
在主循环中，只要是不断的接收到温湿度传感器检测到的数据，从按键模块输入参数安全范围的山下限，进一步对检测到的数据进行判断是否安全。
图5.1软件设计流程图
5.2模块软件设计
5.2.1报警设计
本设计的报警电路是通过初始化蜂鸣器为低电平，当温湿度传感器采集到的温度、湿度的数值在创建设置的范围里时，仍然为低电平，但是只要有任何一个数值超过上限或者下限的时候，这是通过直流电压来驱动蜂鸣器，则蜂鸣器工作启用报警系统。
5.2.2DHT11温湿度传感器设计
DHT11的DATA用于该模块与单片机STM32F407ZGT6之间通讯传输和更新数据,在这里采用的是唯一一个总线的数据传输,一次通讯传输数据的时间大概在4ms左右,这个数据包括了温度的小数和整数、湿度的小数和整数还有最后一个检验的部分一共五个部分,详细数据传输的格式在下面说明,当前小数部分用于以后扩展,现读出为零。
通讯传输的数据一共为40bit，具体如下：
8bit湿度整数
8bit湿度小数
8bi温度整数
8bit温度小数
8bit校验和
用户MCU发第一次起始信号,此时DHT11从低电平切换为高电平,然后就等待MCU的起始信号结束，结束后DHT11就马上发送它的响应信号,传输出40位的二进制数据,并获取到了一次触动信号,用户可以选择需要读取部分数据.在从机端,DHT11接收到了起始信号并且触动获取一次完整的40bit数据,倘若没有接收到来自主机发送的起始信号,DHT11将不会主动去获取数据，这时温湿度的数据则显示错误，没有获取到数据，切换为低电平即低速模式。
它的通信过程如下图5.2、5.3所示：
图5.2DHT11通信过程时序图1
图5.3DHT11通信过程时序图2
通过上面的通讯工程1和2的时序图可知，大概过程如下：
1、在总线休闲的时候是呈现高电平的状态；
2、如果总线主机拉为低电平，然后等待DHT11的回应；
3、当DHT11检测到主机信号后，等待主机的信号结束；
4、然后低电平的80us作为响应信号发送
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