基于STM32设计的粮食仓库(粮仓)环境监测系统

一、前言

1.1 项目开发背景

随着现代农业的发展和粮食储存规模的扩大，粮仓环境的智能化监控需求日益增长。传统的粮仓管理方式通常依赖人工检测和定期巡查，效率低下且容易出现疏漏，无法及时发现潜在问题，可能导致粮食受潮、霉变、虫害等损失。尤其在粮仓中，温度、湿度、气体浓度等环境参数对粮食的保存至关重要，科学管理这些参数能够显著提升粮食储存的质量和安全性。

在粮仓的实际运行中，环境温度和湿度的异常变化可能导致粮食发霉或者干燥不足，而二氧化碳和一氧化碳等气体浓度的超标可能暗示粮仓内存在发酵、氧化或其他潜在的危害因素。此外，墙壁和角落的水汽问题，往往是粮仓受潮的主要原因之一，长期积水可能引发霉菌滋生，威胁储粮安全。因此，开发一套集成环境参数监测、智能预警和数据可视化的系统，能够实现粮仓环境的实时监控和远程管理，变得尤为重要。

本项目基于STM32微控制器设计，结合温湿度传感器、气体检测模块、雨滴传感器以及WiFi通信技术，不仅实现对粮仓环境的全面监测，还支持数据上传至云端，通过网页端可视化大屏直观展示关键数据，为管理者提供决策依据。同时，系统具有异常报警功能和风扇控制功能，可以在检测到参数异常时，及时采取通风措施并发出警报，从而降低风险。这种高度集成的监测系统，不仅能够减少人工巡查的工作量，还能大幅提升粮仓管理的智能化水平，为粮食安全储存提供有力保障。

1.2 设计实现的功能

当前项目使用的相关软件工具、传感器源代码工程已经上传到网盘（实时更新项目内容）：https://ccnr8sukk85n.feishu.cn/wiki/QjY8weDYHibqRYkFP2qcA9aGnvb?from=from_copylink

(1) 环境温湿度检测
通过SHT30温湿度传感器，实时采集粮仓内的环境温度和湿度数据，并上传至服务器进行监控。

(2) 二氧化碳浓度检测
系统集成二氧化碳检测功能，可持续监测粮仓内的二氧化碳浓度，及时发现异常情况。

(3) 墙壁水汽检测
使用雨滴传感器安装在粮仓墙壁或角落区域，检测是否存在水汽积聚，防止潮湿导致的霉变风险。

(4) 通风风扇控制
通过继电器控制通风风扇，根据环境参数的变化，自动开启或关闭通风设备，实现有效的空气循环。

(5) 一氧化碳可燃气体检测
采用MQ9气体传感器监测粮仓内的一氧化碳等可燃气体浓度，降低潜在的安全隐患。

(6) 数据上云及可视化大屏显示
通过ESP8266 WiFi模块实现数据上传至服务器，服务器以Python作为后端，将设备端采集的数据传输到网页前端，用户可通过可视化大屏查看所有环境参数。

(7) 异常报警
当检测到环境参数超出预设范围，系统会触发有源蜂鸣器报警，同时在可视化网页上显示警示信息，提醒管理者及时采取措施。

(8) 远程监控与数据管理
支持远程访问功能，管理者可通过网页实时监控粮仓环境数据，历史数据也可追溯查看，便于科学管理和问题分析。

1.3 项目硬件模块组成

(1) 主控模块
STM32F103RCT6作为核心控制器，用于采集传感器数据、执行逻辑控制和数据传输。

(2) 温湿度检测模块
SHT30温湿度传感器，用于监测粮仓内部环境的温度和湿度。

(3) 二氧化碳检测模块
用于检测粮仓内二氧化碳浓度，确保空气质量符合储粮要求。

(4) 水汽检测模块
雨滴传感器安装在墙壁或角落，用于检测是否有水汽或潮湿情况。

(5) 可燃气体检测模块
MQ9传感器用于监测一氧化碳及其他可燃气体浓度，保障粮仓安全。

(6) 通风风扇控制模块
继电器驱动模块控制通风风扇的启停，根据环境监测数据进行智能化通风操作。

(7) WiFi通信模块
ESP8266-WIFI模块实现设备与服务器的无线通信，完成数据上传至云端。

(8) 显示屏模块
采用SPI接口的LCD显示屏，用于本地实时显示粮仓环境参数和状态信息。

(9) 蜂鸣器报警模块
高电平触发的有源蜂鸣器，用于当环境参数异常时发出声响报警。

(10) 电源模块
为各个模块提供稳定的供电，确保系统的持续可靠运行。

1.4 设计思路

本项目设计一套基于STM32的粮仓环境监测系统，通过多种传感器采集粮仓环境的关键参数，实现数据实时监测、异常报警和智能化管理。整个设计思路围绕硬件搭建、数据处理与传输以及用户交互展开。

硬件方面，选用STM32F103RCT6作为主控芯片，借助其丰富的外设接口和较强的处理能力，与SHT30温湿度传感器、MQ9可燃气体传感器、雨滴传感器等模块协同工作，实现粮仓环境温湿度、气体浓度、水汽状态的多维度数据采集。同时，通过继电器模块控制通风风扇，结合蜂鸣器实现环境调节和异常报警的功能。ESP8266 WiFi模块提供无线通信能力，将采集的数据上传至服务器，完成云端数据传输和管理。显示屏模块则用于本地显示关键数据，为管理者提供直观的信息反馈。

数据处理和逻辑控制是设计的核心。在STM32控制器中，通过定时采集传感器数据并执行数据校验，将采集到的环境参数与预设的阈值进行比对。当检测到异常（如温湿度超标、气体浓度超限或水汽检测到问题）时，系统触发蜂鸣器报警，并通过继电器自动启动通风风扇。同时，将报警信息和实时参数通过WiFi模块上传到云端，便于远程管理。

在数据传输与用户交互方面，服务器端采用Python开发后端，接收STM32上传的数据并存储。前端通过网页展示可视化大屏，实时呈现粮仓环境的温湿度、气体浓度及设备状态。当出现异常时，网页上以醒目的警告提示辅助蜂鸣器报警，使管理者能够快速定位问题。

整个设计强调系统的可靠性与扩展性。模块化的硬件设计和合理的软件架构，不仅使系统在粮仓环境监测中具有实用性，还可以根据需求扩展其他监测功能，如虫害监控或视频监控，从而进一步提升粮仓管理的智能化水平。

1.5 系统功能总结

功能类别	具体功能	描述
环境监测功能	环境温度检测	使用SHT30传感器实时监测粮仓内部温度。
	环境湿度检测	使用SHT30传感器实时监测粮仓内部湿度。
	二氧化碳浓度检测	检测粮仓内二氧化碳浓度，保证空气质量。
	一氧化碳及可燃气体检测	通过MQ9传感器监测一氧化碳及其他可燃气体浓度，防范安全风险。
	水汽检测	使用雨滴传感器监测墙壁或角落是否存在水汽积聚，防止潮湿问题。
控制功能	通风风扇控制	通过继电器模块控制风扇启停，自动调节粮仓空气流通。
报警功能	蜂鸣器报警	当检测到异常环境参数时，蜂鸣器发出声响警报。
	可视化报警	数据上传至云端，在网页可视化大屏上显示警告信息。
通信功能	数据上云	通过ESP8266 WiFi模块将环境参数上传至服务器，支持远程管理。
显示功能	本地数据显示	使用SPI接口LCD屏显示实时的温湿度、气体浓度及设备状态信息。
远程监控功能	数据可视化	在网页端以图表形式展示实时数据，用户可随时查看环境参数及设备状态。
异常处理功能	自动调节	环境参数超标时，系统自动启动风扇等调节设备，并上传异常数据供管理者参考。
历史数据管理	数据存储与回溯	服务器存储历史数据，用户可回溯查看，分析环境变化趋势并优化管理策略。

1.8 模块的技术详情介绍

【1】ESP8266模块

ESP8266是一款低功耗、低成本的WiFi模块，广泛应用于物联网（IoT）项目中。它集成了WiFi无线通信功能，可以实现设备与互联网的无线连接，具有非常高的性价比。ESP8266模块的设计旨在简化无线网络的配置和连接过程，特别适合嵌入式系统和智能硬件应用。

ESP8266模块基于Tensilica Xtensa架构的32位微处理器，并集成了WiFi协议栈、网络功能以及各种控制和通信接口，能够支持WiFi标准的IEEE 802.11 b/g/n协议。它内置有处理器、存储器、WiFi射频模块以及网络协议栈，支持通过AT命令或通过编程来控制和操作。用户可以通过编程将其嵌入到各种应用中，作为通信桥梁在微控制器和互联网之间进行数据传输。

该模块通常包括多个版本，常见的有ESP-01、ESP-12E等，它们的差异主要体现在引脚数目、外部存储、天线设计等方面。ESP8266具有较强的处理能力，能够支持复杂的通信协议，并能够独立执行部分任务，无需外部微处理器的支持。它的主要功能是将嵌入式设备连接到WiFi网络，通过HTTP、MQTT、WebSocket等协议与云端进行数据交互和控制。

在实际应用中，ESP8266模块通过串口（UART）与其他硬件设备进行通信，且其支持AT命令集，通过这些命令可以配置WiFi参数、控制网络连接、发送和接收数据。对于开发者来说，它的开发环境支持Arduino IDE、NodeMCU、PlatformIO等，极大地简化了开发流程。使用这些开发环境，开发者可以通过编程实现更复杂的功能，如数据采集、远程控制、智能家居应用等。

ESP8266的低功耗特点使得它特别适合于物联网设备的应用。模块的工作电压范围为3.3V，虽然其本身的功耗较低，但在深度休眠模式下，功耗可以进一步降低到微安级别，从而延长电池寿命。这使得ESP8266在需要长期运行的无线传感器网络和便携式设备中具有广泛的应用。

在物联网应用中，ESP8266常常用于实现设备与互联网的互联互通，能够通过WiFi协议将数据上传到云平台，如华为云、AWS、ThingSpeak等，实现数据存储、远程监控、控制和分析。在智能家居、智能农业、环境监控等领域，ESP8266作为通信模块发挥着至关重要的作用。

ESP8266凭借其低成本、高集成度、强大的WiFi连接功能以及良好的开发支持，成为了物联网领域中最受欢迎的无线通信模块之一，尤其适用于需要无线连接的嵌入式设备和智能硬件项目。

二、安装Python环境

2.1 环境介绍

操作系统: win10 64位

python版本: 3.8

IDE: 采用vscode

用到的相关安装包下载地址: https://ccnr8sukk85n.feishu.cn/wiki/QjY8weDYHibqRYkFP2qcA9aGnvb?from=from_copylink

2.2 Python版本介绍

因为Python是跨平台的，它可以运行在Windows、Mac和各种Linux/Unix系统上。在Windows上写Python程序，放到Linux上也是能够运行的。

要开始学习Python编程，首先就得把Python安装到你的电脑里。安装后，你会得到Python解释器（就是负责运行Python程序的），一个命令行交互环境，还有一个简单的集成开发环境。

目前，Python有两个版本，一个是2.x版，一个是3.x版，这两个版本是不兼容的。由于3.x版越来越普及，后面就选择 3.x版本进行安装。

2.3 在windows下安装Python环境

Python官网下载地址: Download Python | Python.org

勾上Add Python 3.8 to PATH，然后点“Install Now”即可完成安装。

安装完成之后，打开windows的命令行窗口。

在命令行运行python，出现下面的提示就表示安装成功。

进入终端之后，输入exit()可以退出Python命令行。

Python安装成功后，在python交互式环境模式下，可以简单学习一下Python的第一份代码：

C:\Users\11266>python
Python 3.8.0 (tags/v3.8.0:fa919fd, Oct 14 2019, 19:21:23) [MSC v.1916 32 bit (Intel)] on win32
Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information.
>>> 100+500      #直接输入有效数字进行运算
600  
>>> 300-100
200
>>> print("hello python")    #打印文本
hello python
>>> print('hello python')     #打印文本
hello python 
>>> exit()                #退出交互式命令行C:\Users\11266>

2.4 windows下安装VSCode代码编辑器

下载地址: https://code.visualstudio.com/

安装包下载之后，直接鼠标双击运行。

根据自己平台下载：

接受协议继续安装。

选择一下安装路径。

浏览路径。

安装。

安装完成。打开的页面。

软件安装之后下面设置 Visual Studio 支持中文语言

首先打开 Visual Studio 软件， 再按下 F1 或者 Shift + Ctrl + P：

然后在命令行输入 Configure Display Language

选择安装语言选项。

安装之后右下角有提示重启，点击重启即可。

新建文本文件，保存的后缀为.py。

修改vscode的颜色主题

下面介绍更改颜色vscode的内置颜色主题方法。

三、设计后端服务器与前端页面

编写一个后端服务器，使用Python的Flask框架来接受设备通过TCP协议上传的数据，并编写一个HTML网页来展示这些数据。

3.1 编写后端服务器

使用Python的socket模块来创建一个TCP服务器，用于接收设备上传的数据。使用Flask框架来创建一个Web应用，用于展示数据。

import socket
from flask import Flask, render_template, jsonify# 初始化Flask应用
app = Flask(__name__)# 全局变量保存最新上传的数据
data = {"temperature": None,"humidity": None,"co2": None,"water_vapor": None,"fan_status": None,"co_gas": None,"alert": None
}# TCP服务器处理设备端数据上传
def start_tcp_server():host = '0.0.0.0'port = 5005server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)server_socket.bind((host, port))server_socket.listen(5)print(f"Listening on {host}:{port}")while True:client_socket, addr = server_socket.accept()print(f"Connection from {addr}")try:while True:received_data = client_socket.recv(1024).decode("utf-8").strip()if not received_data:break  # 如果没有数据，退出循环print(f"Raw Data received: {received_data}")# 解析数据try:values = received_data.split(',')if len(values) == 7:global datadata["temperature"] = float(values[0])data["humidity"] = float(values[1])data["co2"] = float(values[2])data["water_vapor"] = "Detected" if int(values[3]) == 1 else "Not Detected"data["fan_status"] = "ON" if int(values[4]) == 1 else "OFF"data["co_gas"] = float(values[5])data["alert"] = "Triggered" if int(values[6]) == 1 else "Normal"# 打印解析后的数据print(f"Parsed Data:")print(f"  Temperature: {data['temperature']} °C")print(f"  Humidity: {data['humidity']} %")print(f"  CO2 Level: {data['co2']} ppm")print(f"  Water Vapor: {data['water_vapor']}")print(f"  Fan Status: {data['fan_status']}")print(f"  CO Gas: {data['co_gas']} ppm")print(f"  Alert: {data['alert']}")except Exception as e:print(f"Error parsing data: {e}")except Exception as e:print(f"Error handling client connection: {e}")finally:client_socket.close()# 启动TCP服务器线程
import threading
threading.Thread(target=start_tcp_server, daemon=True).start()# Web路由
@app.route('/')
def index():return render_template("index.html")@app.route('/api/data')
def get_data():return jsonify(data)if __name__ == "__main__":app.run(host="0.0.0.0", port=8080, debug=True)

3.2 编写HTML网页

使用Bootstrap框架来创建一个网页，用于展示设备上传的数据。

网页命名为: index.html。 放在 templates目录下。

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head><meta charset="UTF-8"><meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0"><title>粮仓环境监测系统</title><link rel="stylesheet" href="https://maxcdn.bootstrapcdn.com/bootstrap/4.5.2/css/bootstrap.min.css"><script src="https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.5.1/jquery.min.js"></script><script src="https://cdnjs.cloudflare.com/ajax/libs/popper.js/1.16.0/umd/popper.min.js"></script><script src="https://maxcdn.bootstrapcdn.com/bootstrap/4.5.2/js/bootstrap.min.js"></script><style>body {background-color: #121212;color: #fff;}.card {margin-top: 20px;background-color: #222;border: 1px solid #444;}.card-header {background-color: #007BFF;color: #fff;}.card-body {background-color: #fff;color: #000;}.table {margin-bottom: 0;}.table-bordered td, .table-bordered th {border: 1px solid #444;}.table th {background-color: #007BFF;color: #fff;}</style>
</head>
<body><div class="container-fluid"><div class="row"><div class="col-md-6 offset-md-3"><div class="card"><div class="card-header"><h3 class="text-center">粮仓环境监测数据</h3></div><div class="card-body"><table class="table table-bordered"><tbody><tr><td>温度</td><td id="temperature"></td></tr><tr><td>湿度</td><td id="humidity"></td></tr><tr><td>二氧化碳浓度</td><td id="co2"></td></tr><tr><td>水汽检测</td><td id="water_vapor"></td></tr><tr><td>风扇状态</td><td id="fan_status"></td></tr><tr><td>一氧化碳浓度</td><td id="co_gas"></td></tr><tr><td>报警状态</td><td id="alert"></td></tr></tbody></table></div></div></div></div></div><script>// 使用JavaScript获取数据并更新页面function updateData() {$.getJSON('/api/data', function(data) {$('#temperature').text(data.temperature + ' °C');$('#humidity').text(data.humidity + ' %');$('#co2').text(data.co2 + ' ppm');$('#water_vapor').text(data.water_vapor);$('#fan_status').text(data.fan_status);$('#co_gas').text(data.co_gas + ' ppm');$('#alert').text(data.alert);});}// 每秒更新一次数据setInterval(updateData, 1000);</script>
</body>
</html>

3.3 文件摆放目录层次

3.4 运行效果

在VSCODE里调用Python运行服务器代码。

网页运行效果：

四、STM32代码设计

4.1 框架概述

1. 初始化：初始化所有的硬件和软件组件
2. 数据采集：从各种传感器（如SHT30、MQ9等）读取数据。
3. 数据处理：处理采集到的数据，例如转换单位、计算平均值等。
4. 数据上传：通过WiFi模块（ESP8266）将数据上传到服务器。
5. 控制逻辑：根据采集到的数据执行相应的控制逻辑，控制风扇、蜂鸣器。

4.2 关键代码

1. 初始化

#include "stm32f10x.h"
#include "sht30.h"
#include "mq9.h"
#include "wifi.h"
#include "buzzer.h"
#include "fan.h"
#include "rain_sensor.h"int main(void)
{// 初始化所有模块GPIO_Init();UART_Init();SPI_Init();I2C_Init();SHT30_Init();MQ9_Init();WIFI_Init();Buzzer_Init();Fan_Init();RainSensor_Init();// 主循环while (1){// 数据采集float temperature = SHT30_GetTemperature();float humidity = SHT30_GetHumidity();float co2 = MQ9_GetCO2();int water_vapor = RainSensor_GetStatus();int fan_status = Fan_GetStatus();float co_gas = MQ9_GetCO();int alert = GetAlertStatus(temperature, humidity, co2, water_vapor, fan_status, co_gas);// 数据处理// ...// 数据上传char data_str[100];sprintf(data_str, "%.2f,%.2f,%.2f,%d,%d,%.2f,%d", temperature, humidity, co2, water_vapor, fan_status, co_gas, alert);WIFI_SendData(data_str);// 控制逻辑// ...}
}

2. 数据采集

// 从SHT30读取温度和湿度
float SHT30_GetTemperature()
{// 发送测量命令SHT30_SendCommand(SHT30_MEASURE_HIGHREP);// 等待测量完成Delay_ms(50);// 读取数据uint16_t raw_data = SHT30_ReadData();// 转换为温度值float temperature = SHT30_CalculateTemperature(raw_data);return temperature;
}float SHT30_GetHumidity()
{// 发送测量命令SHT30_SendCommand(SHT30_MEASURE_HIGHREP);// 等待测量完成Delay_ms(50);// 读取数据uint16_t raw_data = SHT30_ReadData();// 转换为湿度值float humidity = SHT30_CalculateHumidity(raw_data);return humidity;
}// 从MQ9读取CO2浓度
float MQ9_GetCO2()
{// 读取ADC值uint16_t adc_value = ADC_GetValue(MQ9_CHANNEL);// 转换为CO2浓度float co2 = MQ9_CalculateCO2(adc_value);return co2;
}// 从雨滴传感器读取状态
int RainSensor_GetStatus()
{// 读取GPIO状态int status = GPIO_ReadInputDataBit(RAIN_SENSOR_PIN);return status;
}

3. 数据处理

// 根据采集到的数据计算报警状态
int GetAlertStatus(float temperature, float humidity, float co2, int water_vapor, int fan_status, float co_gas)
{// 报警条件if (temperature > 30 || humidity > 70 || co2 > 1000 || water_vapor == 1 || fan_status == 0 || co_gas > 50){return 1; // 报警}else{return 0; // 正常}
}

4. 数据上传

// 通过WiFi模块发送数据
void WIFI_SendData(char *data)
{// 发送数据// ...
}

5. 控制逻辑

// 根据报警状态控制蜂鸣器
void ControlBuzzer(int alert)
{if (alert){Buzzer_On();}else{Buzzer_Off();}
}// 根据报警状态控制风扇
void ControlFan(int alert)
{if (alert){Fan_Off();}else{Fan_On();}
}

五、总结

本项目设计一个基于STM32的粮食仓库环境监测系统，以实现对仓库内环境参数的实时监测和控制。通过多种传感器（如SHT30、MQ9等）采集环境数据，并通过WiFi模块将数据上传至服务器，最终在可视化网页上展示数据。系统支持多种功能，包括环境温度、湿度检测，二氧化碳浓度检测，墙壁水汽检测，通风风扇控制，一氧化碳可燃气体检测，数据上云以及可视化大屏显示等。

主要功能

1. 环境监测：
   • 实时监测环境温度、湿度、二氧化碳浓度、水汽检测、一氧化碳浓度等参数。
   • 通过SHT30传感器获取温度和湿度数据。
   • 通过MQ9传感器检测二氧化碳和一氧化碳浓度。
   • 通过雨滴传感器检测墙壁水汽。
2. 数据上传：
   • 设备端的数据通过WiFi连接服务器上传数据。
   • 使用ESP8266-WIFI模块实现数据传输。
3. 可视化展示：
   • 通过网页可视化大屏进行展示数据。
   • 使用Flask作为后端服务器，接收设备端上传的数据，并在网页上展示。
4. 控制逻辑：
   • 根据采集到的数据执行相应的控制逻辑，例如控制风扇、蜂鸣器等。
   • 当环境参数不符合要求时，通过蜂鸣器报警，并在可视化页面上展示提示。

硬件选型

• 主控芯片：STM32F103RCT6
• 温湿度传感器：SHT30
• 可燃气体检测模块：MQ9
• 通风风扇控制：继电器
• WiFi模块：ESP8266-WIFI模块
• 显示屏：SPI接口的LCD显示屏
• 水汽检测：雨滴传感器
• 蜂鸣器：高电平触发的有源蜂鸣器

软件设计

• 使用C语言编写STM32代码，实现数据采集、处理和上传。
• 使用Python编写服务器端代码，接收设备端上传的数据，并在网页上展示。
• 使用Flask框架搭建Web服务器，提供HTTP接口供前端页面访问。