工业现场设备的监控系统

河北理工大学信息学院 摘要 1绪论1.1研究背景和目的工业现场设备是工业生产的重要组成部分，其性能和状态直接影响着产品的质量和生产效率。然而，工业现场设备也面临着各种各样的风险和挑战，例如设备的老化、损耗、故障、过载等，这些都可能导致设备的性能下降或停止工作，甚至引发安全事故和经济损失。因此，对工业现场设备进行有效的监测和管理，是保障工业生产的安全和效率的重要手段。目前，工业现场设备的监测和管理主要依靠人工巡检和定期维护，这种方式存在以下几个问题：一是人工巡检的频率和范围受到人力、时间和成本的限制，无法做到全面和及时的监测；二是人工巡检的结果受到人为因素的影响，可能存在主观性和误差；三是定期维护的周期和内容受到经验和规范的制约，无法根据设备的实际情况进行动态调整；四是人工巡检和定期维护都需要人员进入工业现场，可能存在安全隐患和干扰因素。因此，人工巡检和定期维护的方式难以满足工业现场设备的监测和管理的需求，需要寻求一种更高效、更智能、更可靠的方式[1]。1.2国内外发展现状近年来,工业现场设备的监控系统在全球范围内备受关注,其发展呈现出一系列新趋势和技术突破。国内外的研究机构和企业都在不断探索创新,以提高工业生产的安全性、效率和可持续性。在发达国家,工业现场设备监控系统已经成为工厂自动化的重要组成部分。美国、德国、日本等国家的企业在监控系统的硬件和软件技术方面处于领先地位。他们注重引入先进的传感器技术、云计算平台和人工智能算法,实现对设备状态的实时监测、预测性维护和智能优化控制。例如,美国通用电气公司推出的智能传感器可以检测设备的振动、温度等多种参数,并通过无线网络将数据上传至云端进行分析和处理。德国西门子公司则开发了基于人工智能的设备故障诊断系统,能够精准预测设备故障,提高维修效率。此外,工业物联网技术的应用也为设备监控系统的发展提供了新的动力,实现了设备之间的智能连接和协同操作。我国作为世界上最大的制造业大国之一,对工业现场设备监控系统的需求日益增长。国内企业在传感器、通信技术、数据处理和软件开发等方面积极探索创新。一些知名企业在智能制造领域推出了一系列具有自主知识产权的监控系统,逐步提高了中国制造业的智能化水平。例如,华为公司推出的"智能工厂解决方案"集成了设备联网、数据采集、边缘计算等功能,可实现设备状态的全面监测和管理。海尔公司的COSMOPlat工业互联网平台则致力于构建设备与设备之间、设备与云之间的智能连接,促进数据的高效流通和利用。同时,政府也出台了一系列政策支持和产业引导措施,鼓励企业加大对监控系统研发的投入,促进制造业向高端智能化方向发展。在学术研究领域,国内外多所高校和研究机构也在工业现场设备监控系统方面取得了重要进展。例如,清华大学的研究团队提出了一种基于深度学习的设备故障诊断方法,能够从大量历史数据中自动学习故障模式,实现故障的快速识别和分类。浙江大学的学者们则开发了一种集成多种传感器的智能监控节点,可以高效获取设备的振动、温度、湿度等多维度数据,为后续的故障诊断和预测提供必要的数据支持。此外,国内多所高校还在工业物联网、边缘计算等前沿领域开展了大量基础研究工作,为监控系统的创新发展奠定了理论基础。随着工业互联网、人工智能和大数据等新一代信息技术的不断发展,工业现场设备监控系统将迎来更加广阔的发展空间。未来,监控系统将更加智能化、自动化和可持续化,实现设备的全生命周期管理和优化运营。智能传感器和边缘计算将使监测数据的采集和处理更加高效;人工智能技术将赋予监控系统强大的故障预测和优化决策能力;工业物联网将构建起设备与云端的高速数据通路,促进数据的高效流通和利用。同时,系统的开放性和可扩展性也将成为关注焦点,以满足不同行业、不同应用场景的需求。可以预见,未来的工业现场设备监控系统将呈现出智能化、网络化、服务化的发展趋势,为制造业的数字化转型注入新的动力。1.3研究内容为了解决上述问题，本文设计了一个基于STM32单片机的工业现场设备的监控系统，该系统可以实时检测设备的振动、温度、噪音等参数，并通过声光报警和无线通信进行异常提示和远程控制。本文的主要研究内容如下：（1）分析系统的功能要求，确定系统的设计方案和硬件模块选型；（2）设计系统的硬件电路，包括单片机、传感器、显示器、继电器、无线模块等；（3）编写系统的软件程序，包括主程序、子程序、中断服务程序等；（4）测试系统的功能和性能，展示系统的实物和效果。3系统的硬件设计毕业设计PAGE23 2功能与设计方案2.1系统的功能要求（1）可以通过振动检测模块检测设备的振动情况，当检测到振动异常的时候，会触发声光报警提示，防止设备因过大的振动导致的损坏；（2）可以通过噪音检测模块检测工厂内的噪音情况，当检测到噪音过大的时候，会触发声光报警提示，防止工人因噪音过大而受到伤害；（3）可以通过温湿度检测模块检测工厂内的湿度状况，当检测到湿度过高的时候，会通过继电器控制排湿风扇启动，防止产品因湿度过高受到损失；（4）可以通过温度检测模块检测设备的温度状况，当检测到温度过高的时候，会触发声光报警提示，防止设备因高温而损坏；（5）本系统所检测到的所有数值都可以通过显示器实时的显示，也可以通过按键对报警的下限阈值进行调整；（6）可以通过无线模块连接阿里云，通过手机app进行远程控制，可以查看设备的实时数据，也可以控制设备的开关和报警的开关。2.2系统设计方案本系统的设计方案如图2.1所示，单片机作为系统的核心控制器，负责采集、处理、显示、控制和通信等功能；震动检测模块采用震动开关，当设备的振动超过一定程度时，震动开关会闭合，输出高电平信号，单片机通过中断方式检测该信号，触发声光报警；噪音检测模块可以将声音信号转换为电压信号，单片机通过ADC方式采集该信号，当信号的幅值超过一定阈值时，触发声光报警；温湿度检测模块可以通过单总线方式与单片机通信，传输温度和湿度的数据，单片机通过定时器方式定时读取该数据，当湿度超过一定阈值时，控制继电器驱动排湿风扇；温度检测模块可以通过单总线方式与单片机通信，传输温度的数据，单片机通过定时器方式定时读取该数据，当温度超过一定阈值时，触发声光报警；显示器可以通过I2C方式与单片机通信，显示系统的各项参数和状态；继电器可以通过单片机的IO口控制其通断，驱动排湿风扇的开关；声光报警模块可以通过单片机的IO口控制其开关，当系统检测到异常情况时，发出声音和光线的提示；无线模块可以通过串口方式与单片机通信，实现与阿里云的连接，通过MQTT协议传输数据和指令，实现远程控制的功能。图2.1系统硬件模块工作框图2.3器件方案对比2.3.1单片机的选择单片机是系统的核心控制器，其性能和功能直接影响着系统的功能和性能。本文考虑了两种单片机的方案，分别是STC89C52和STM32F103，下面对比它们的优缺点。方案一STC89C52STC89C52是一款基于51内核的单片机，其工作频率为12MHz，内部有8K字节的Flash存储器，256字节的RAM存储器，4个8位定时器，1个串口，32个IO口，6个中断源；支持标准的51指令集，编程简单，开发工具丰富，兼容性好，成本低；支持在线编程，可以通过串口下载程序，方便调试；支持多种外部扩展，可以通过外部总线接口连接外部存储器、显示器、键盘等设备。STC89C52的优点是性能稳定，工作可靠，适用于一些简单的控制应用；开发成本低，开发周期短，开发难度小，适合初学者和爱好者；兼容性好，可以与市场上的大多数51系列的单片机互换，方便维护和替换。STC89C52的缺点是性能较低，工作频率低，存储空间小，无法满足一些复杂的控制和处理需求；功能较少，不支持一些高级的功能，如ADC、DAC、PWM、I2C、SPI等，需要外部扩展，增加了系统的复杂度和成本；资源利用率低，由于51内核的设计，程序的执行效率低，存储空间的利用率低，无法充分发挥单片机的性能。方案二STM32F103STM32F103是一款基于ARM内核的单片机，其工作频率为72MHz，内部有64K字节的Flash存储器，20K字节的RAM存储器，3个16位定时器，2个12位ADC，2个SPI，3个I2C，3个串口，37个IO口，16个中断源；支持标准的ARM指令集，编程灵活，开发工具多样，性能强大，功能丰富；支持在线编程，可以通过JTAG或SWD接口下载程序，方便调试；支持多种外部扩展，可以通过外部总线接口连接外部存储器、显示器、键盘等设备，也可以通过内部的ADC、DAC、PWM、I2C、SPI等接口连接各种传感器、执行器等设备。STM32F103的优点是性能高，工作频率高，存储空间大，可以满足一些复杂的控制和处理需求；功能多，支持一些高级的功能，如ADC、DAC、PWM、I2C、SPI等，可以直接连接各种传感器、执行器等设备，减少了系统的复杂度和成本；资源利用率高，由于ARM内核的设计，程序的执行效率高，存储空间的利用率高，可以充分发挥单片机的性能。STM32F103的缺点是性能过剩，对于一些简单的控制应用，可能存在资源浪费的情况；开发成本高，开发周期长，开发难度大，需要一定的专业知识和经验；兼容性差，与市场上的其他单片机不通用，需要专用的开发工具和下载器，不方便维护和替换。综合比较两种方案，本文选择了方案二STM32F103作为单片机的选型，因为本系统的功能和性能要求较高，需要一个强大的控制器来实现，而STM32F103可以满足本系统的所有需求，而且具有更高的资源利用率和更多的功能支持，虽然其开发成本和难度较高，但可以通过学习和实践来克服。2.3.2温度传感器的选择方案一DS18B20DS18B20是一款数字温度传感器，其工作电压为3.0V~5.5V，工作温度范围为-55℃~+125℃，温度精度为±0.5℃，分辨率为9~12位可配置；支持单总线通信，可以通过一根数据线与单片机通信，传输温度的数据，每个传感器都有一个唯一的64位序列号，可以实现多点测温支持寄存器方式的读写，可以通过写入控制字节来设置温度的分辨率、转换时间和报警阈值，也可以通过读取h控制字节来获取温度的数据和状态；支持温度转换的启动和停止，可以通过发送命令来启动或停止温度的转换，也可以通过查询状态位来判断温度转换是否完成。DS18B20的优点是数字输出，无需模数转换，数据准确，抗干扰能力强，传输距离远单总线通信，接线简单，占用IO口少，可以实现多点测温，节省资源；寄存器方式的读写，操作灵活，可以根据需要设置温度的分辨率、转换时间和报警阈值，也可以实时获取温度的数据和状态；温度转换的启动和停止，控制方便，可以根据需要启动或停止温度的转换，也可以通过查询状态位来判断温度转换是否完成。DS18B20的缺点是工作电压较高，不适合低功耗的应用；单总线通信，需要遵循严格的时序要求，编程复杂，容易出错；寄存器方式的读写，需要发送和接收多个字节的数据，通信速度较慢，占用CPU时间较多；温度转换的启动和停止，需要发送命令，增加了通信的开销，也可能造成通信的冲突。方案二AD590AD590是一款模拟温度传感器，其工作电压为4.0V~30V，工作温度范围为-55℃~+150℃，温度精度为±1℃，分辨率为0.1℃；输出电流与温度成正比，输出电流为1μA/℃，可以通过电阻或运算放大器将电流转换为电压，无需校准，无需外部元件，无需通信，只需两根引脚连接电源和地，即可工作；线性输出，无需非线性校正，数据简单，计算方便。AD590的优点是工作电压范围宽，适合各种电源环境；输出电流与温度成正比，输出信号简单，计算方便，误差小；无需校准，无需外部元件，无需通信，接线简单，占用IO口少，节省资源；线性输出，无需非线性校正，数据准确，抗干扰能力强，传输距离远。AD590的缺点是模拟输出，需要模数转换，数据易受干扰，传输距离短；输出电流较小，需要电阻或运算放大器将电流转换为电压，增加了系统的复杂度和成本；无法设置温度的分辨率、转换时间和报警阈值，功能单一，灵活性差；无法控制温度转换的启动和停止，只能持续输出温度信号，功耗较高，不适合低功耗的应用。综合比较两种方案，本文选择了方案一DS18B20作为温度检测模块的选型，因为本系统的功能和性能要求较高，需要一个高精度、高分辨率、多功能的温度传感器来实现，而DS18B20可以满足本系统的所有需求，而且具有更高的数据准确性和抗干扰能力，虽然其编程复杂度和通信开销较高，但可以通过学习和实践来克服。2.3.3显示模块的选择显示模块是系统的重要组成部分，其功能是显示系统的各项参数和状态，方便用户观察和调整。本文考虑了两种显示模块的方案，分别是OLED和OLED，下面对比它们的优缺点。方案一OLEDOLED是一种有机发光二极管，其工作电压为3.3V~5V，工作温度范围为-40℃~+70℃，显示尺寸为0.96英寸，显示分辨率为128x64像素，显示颜色为单色或多色可选；支持I2C或SPI通信，可以通过两根或四根数据线与单片机通信，传输显示的数据，每个显示器都有一个唯一的地址，可以实现多个显示器的并行显示；支持图形和字符的显示，可以通过内置的控制器和驱动器来控制显示的内容和方式，也可以通过外部的字库和图库来显示自定义的字符和图形；自发光，无需背光，亮度高，对比度高，视角广，响应速度快，功耗低，寿命长。OLED的优点是显示效果好，亮度高，对比度高，视角广，响应速度快，可以显示清晰的图形和字符；通信方式灵活，支持I2C或SPI通信，接线简单，占用IO口少，可以实现多个显示器的并行显示，节省资源；显示内容丰富，支持图形和字符的显示，可以通过内置的控制器和驱动器来控制显示的内容和方式，也可以通过外部的字库和图库来显示自定义的字符和图形，增加了系统的美观性和个性化；功耗低，寿命长，自发光，无需背光，功耗低，寿命长，适合长时间的工作，也适合低功耗的应用。OLED的缺点是成本高，价格高，相比于其他的显示器，OLED的成本和价格较高，增加了系统的成本；稳定性差，易老化，由于OLED是有机材料，受到温度、湿度、氧气等环境因素的影响，容易发生老化和衰减，影响显示的质量；显示尺寸小，显示分辨率低，由于OLED的技术限制，目前市场上的OLED显示器的尺寸和分辨率都较小，无法显示大量的信息，也无法显示细节的信息；显示颜色单一，显示效果单调，由于OLED的技术限制，目前市场上的OLED显示器的颜色都较单一，无法显示丰富的颜色，也无法显示渐变的效果，显示效果较单调。方案二OLEDOLED是一种液晶显示器，其工作电压为5V，工作温度范围为-20℃~+70℃，显示尺寸为1.6英寸，显示分辨率为16x2字符，显示颜色为单色或多色可选；支持并行或串行通信，可以通过8根或4根或2根数据线与单片机通信，传输显示的数据，每个显示器都有一个使能信号，可以实现多个显示器的并行显示；支持字符的显示，可以通过内置的控制器和驱动器来控制显示的内容和方式，也可以通过外部的字库来显示自定义的字符；需要背光，可以通过外部的电源或单片机的IO口来控制背光的开关，也可以通过外部的电阻或电位器来调节背光的亮度。OLED的优点是成本低，价格低，相比于其他的显示器，OLED的成本和价格较低，降低了系统的成本；稳定性好，不易老化，由于OLED是无机材料，不受温度、湿度、氧气等环境因素的影响，不易发生老化和衰减，保持显示的质量；显示尺寸大，显示分辨率高，由于OLED的技术成熟，市场上的OLED显示器的尺寸和分辨率都较大，可以显示较多的信息，也可以显示较细的信息；显示颜色多样，显示效果丰富，由于OLED的技术成熟，市场上的OLED显示器的颜色都较多样，可以显示多种颜色，也可以显示渐变的效果，显示效果较丰富。OLED的缺点是显示效果差，亮度低，对比度低，视角窄，响应速度慢，相比于其他的显示器，OLED的显示效果较差，需要背光才能看清，也容易受到光线的干扰；通信方式复杂，占用IO口多，需要8根或4根或2根数据线与单片机通信，占用IO口多，也增加了通信的复杂度和开销；显示内容单一，只支持字符的显示，不支持图形的显示，显示内容单一，无法显示自定义的字符和图形，降低了系统的美观性和个性化；功耗高，寿命短，需要背光，功耗高，寿命短，不适合长时间的工作，也不适合低功耗的应用。综合比较两种方案，本文选择了方案一OLED作为显示模块的选型，因为本系统的功能和性能要求较高，需要一个高亮度、高对比度、高分辨率、多功能的显示器来实现，而OLED可以满足本系统的所有需求，而且具有更低的功耗和更长的寿命，虽然其成本和价格较高，但可以通过优化设计和采购来降低。2.3.4震动检测模块的选型方案一：SW-420震动开关SW-420震动开关以其高灵敏度和快速响应在工业现场应用中脱颖而出。该开关采用金属球与弹簧接触机制，当设备振动达到一定程度时，金属球与弹簧接触形成闭合电路，触发报警。SW-420紧凑的设计便于安装，防尘和防静电性能优异，能够适应恶劣的工业环境。价格适中，性价比高，使其成为工业现场震动检测的理想选择。此方案通过简单的电路设计即可实现震动检测，无需复杂的信号处理电路，大大降低了系统复杂度和成本。方案二：CSI9330震动传感器CSI9330震动传感器在精度和稳定性方面表现不俗，但其价格相对较高。该传感器能够检测多维度的震动数据，并通过模拟信号输出。虽然能够提供更为详细的震动信息，但在使用过程中需要额外的模数转换电路，增加了系统的复杂性和成本。此外，CSI9330在防尘和防静电方面的性能略逊于SW-420，可能在某些极端工业环境下受到一定限制。综合考虑成本、性能和适应性，CSI9330震动传感器适用于对震动检测精度要求极高且预算充足的场景。2.3.5温湿度检测模块的选型方案一：DHT22湿度传感器DHT22湿度传感器是一款性价比较高的温湿度传感器，适用于工业现场的湿度检测。它具有测量准确度高、响应速度快、稳定性好等优点。DHT22传感器可以同时检测温度和湿度，并通过数字信号输出，便于与微控制器连接。此外，它还具有较小的体积和低功耗特性，非常适合在工业现场进行长时间、连续的湿度监测。该传感器还具备良好的抗干扰能力，能够在复杂的工业环境中稳定运行。方案二：HIH-4000湿度传感器HIH-4000湿度传感器是一款高精度的模拟输出湿度传感器。它能够提供非常准确的湿度测量值，但需要额外的模数转换电路将模拟信号转换为数字信号供微控制器处理。HIH-4000传感器具有较高的稳定性和可靠性，适用于对湿度检测精度要求极高的应用场景。然而，其价格相对较高，且需要更多的外围电路支持，增加了系统的复杂性和成本。2.3.6通信模块的选型方案一：ESP8266WiFi模块ESP8266WiFi模块以其低功耗、高性能和易于集成的特点，在工业现场无线通信中占据重要地位。该模块支持802.11b/g/n标准，能够实现与WiFi网络的快速连接和数据传输。ESP8266还具备丰富的外设接口和强大的处理能力，便于与各种传感器和执行器连接，实现远程监控和控制。此外，其开源的特性和广泛的社区支持使得开发过程更加便捷。方案二：LoRa无线通信模块LoRa无线通信模块以其长距离、低功耗和低成本的特点在某些工业现场应用中具有优势。LoRa技术采用扩频调制方式，能够在低功耗的同时实现远距离的无线通信。然而，LoRa通信速率相对较低，且需要建设LoRa基站或网关来实现数据的远距离传输。此外，与WiFi相比，LoRa的组网和配置相对复杂，需要更多的专业知识和技术支持。因此，在需要长距离无线通信且对数据传输速率要求不高的场景下，LoRa无线通信模块可能是一个合适的选择。毕业设计4系统的软件设计3系统的硬件设计3.1主控模块如图3.1所示，STM32F103单片机是本系统的核心控制器，其主要负责采集、处理、显示、控制和通信等功能。STM32F103单片机是一款基于ARM内核的单片机，其工作频率为72MHz，内部有64K字节的Flash存储器，20K字节的RAM存储器，3个16位定时器，2个12位ADC，2个SPI，3个I2C，3个串口，37个IO口，16个中断源；支持标准的ARM指令集，编程灵活，开发工具多样，性能强大，功能丰富；支持在线编程，可以通过JTAG或SWD接口下载程序，方便调试；支持多种外部扩展，可以通过外部总线接口连接外部存储器、显示器、键盘等设备，也可以通过内部的ADC、DAC、PWM、I2C、SPI等接口连接各种传感器、执行器等设备。STM32F103单片机上电后，单片机从内部的Flash存储器中读取程序，开始执行；单片机通过内部的ADC接口采集噪音检测模块的电压信号，通过内部的定时器接口定时读取温湿度检测模块和温度检测模块的数据，通过内部的中断接口检测震动检测模块的信号；单片机根据采集到的数据，进行相应的处理和判断，如果发现异常情况，就通过内部的IO口控制声光报警模块和继电器模块的开关，发出提示和控制；单片机通过内部的I2C接口与显示模块通信，将系统的各项参数和状态显示在显示器上，也可以通过内部的IO口检测按键模块的状态，实现对报警的下限阈值的调整和显示的切换等功能；单片机通过内部的串口接口与无线模块通信，实现与阿里云的连接，通过MQTT协议传输数据和指令，实现远程控制的功能。图3.1STM32F103单片机接线情况3.2厂房湿度检测模块如图3.2所示，DHT11温湿度检测模块是本系统的重要组成部分，其功能是检测工厂内的温度和湿度状况，当湿度超过一定阈值时，控制继电器驱动排湿风扇。DHT11温湿度检测模块是一款数字温湿度传感器，如图3.2示，其工作电压为3.0V~5.5V，工作温度范围为0℃~+50℃，工作湿度范围为20%~90%，温度精度为±2℃，湿度精度为±5%；支持单总线通信，可以通过一根数据线与单片机通信，传输温度和湿度的数据，每个传感器都有一个唯一的8位校验和，可以实现数据的校验；支持主从方式的通信，可以通过单片机的主动请求或传感器的主动响应来实现数据的传输，通信速度为1~5kbps，通信距离为20m；支持自动校准，无需外部校准，无需外部元件，只需两根引脚连接电源和地，即可工作。DHT11温湿度检测模块上电后，传感器进行自动校准，需要等待1s以上，才能开始正常工作；单片机通过单总线向传感器发送开始信号，开始信号为低电平持续至少18ms，然后拉高电平持续20~40μs，表示单片机已经准备好接收数据；传感器接收到开始信号后，回应一个响应信号，响应信号为低电平持续80μs，然后拉高电平持续80μs，表示传感器已经准备好发送数据；传感器发送40位的数据，每一位数据由一个50μs的低电平和一个26~28μs或70μs的高电平组成，高电平的时间长短表示数据的0或1，数据的顺序为湿度整数位、湿度小数位、温度整数位、温度小数位、校验和，校验和等于前四个字节的数据之和的低八位；单片机接收到40位的数据后，进行校验和的比较，如果校验和正确，表示数据有效，可以进行温度和湿度的计算和显示，如果校验和错误，表示数据无效，可以重新发送开始信号，请求数据；传感器发送完40位的数据后，拉低电平持续50μs，然后释放总线，进入低功耗状态，等待下一次的开始信号。DHT11温湿度检测模块只有两个引脚，分别为VCC和DATA，分别连接电源和数据线。图3.2DHT11温湿度检测模块实际接线图3.3OLED显示模块如图3.3所示，OLED显示模块是本系统的重要组成部分，其功能是显示系统的各项参数和状态，方便用户观察和调整。OLED显示模块是一种有机发光二极管，如图3.3所示，其工作电压为3.3V~5V，工作温度范围为-40℃~+70℃，显示尺寸为0.96英寸，显示分辨率为128x64像素，显示颜色为单色或多色可选；支持I2C或SPI通信，可以通过两根或四根数据线与单片机通信，传输显示的数据，每个显示器都有一个唯一的地址，可以实现多个显示器的并行显示；支持图形和字符的显示，可以通过内置的控制器和驱动器来控制显示的内容和方式，也可以通过外部的字库和图库来显示自定义的字符和图形；自发光，无需背光，亮度高，对比度高，视角广，响应速度快，功耗低，寿命长。OLED显示模块上电后，显示器进行自检和初始化，设置显示的参数和模式，清屏，等待接收数据；单片机通过I2C或SPI向显示器发送显示的数据，显示的数据为8位的数据，每个数据表示一个像素的亮度，数据的顺序为从左到右，从上到下，每发送一个数据，显示器的地址自动加一，直到发送完所有的数据；显示器接收到显示的数据后，根据内置的控制器和驱动器的设置，将数据转换为电流信号，驱动相应的像素发光，显示出图形或字符；单片机可以通过I2C或SPI向显示器发送控制命令，控制命令为8位的数据，每个命令表示一个功能，如清屏、反色、亮度调节、地址设置等，显示器接收到控制命令后，执行相应的功能。图3.3OLED显示模块实际接线图3.4设备温度检测模块如图3.4所示，DS18B20温度检测模块是本系统的重要组成部分，其功能是检测设备的温度状况，当温度超过一定阈值时，触发声光报警，防止设备因高温而损坏。DS18B20温度检测模块是一款数字温度传感器，如图3.4所示，其工作电压为3.0V~5.5V，工作温度范围为-55℃~+125℃，温度精度为±0.5℃，分辨率为9~12位可配置；支持单总线通信，可以通过一根数据线与单片机通信，传输温度的数据，每个传感器都有一个唯一的64位序列号，可以实现多点测温；支持寄存器方式的读写，可以通过写入控制字节来设置温度的分辨率、转换时间和报警阈值，也可以通过读取控制字节来获取温度的数据和状态；支持温度转换的启动和停止，可以通过发送命令来启动或停止温度的转换，也可以通过查询状态位来判断温度转换是否完成。DS18B20温度检测模块上电后，传感器进行自检和初始化，需要等待1s以上，才能开始正常工作；单片机通过单总线向传感器发送开始信号，开始信号为低电平持续至少480μs，然后拉高电平持续15~60μs，表示单片机已经准备好接收数据；传感器接收到开始信号后，回应一个存在信号，存在信号为低电平持续60~240μs，然后拉高电平，表示传感器已经准备好发送数据；传感器发送64位的数据，每一位数据由一个15~60μs的低电平和一个1或60μs的高电平组成，高电平的时间长短表示数据的0或1，数据的顺序为序列号、控制字节、温度数据、校验和，校验和等于前八个字节的数据之和的低八位；单片机接收到64位的数据后，进行校验和的比较，如果校验和正确，表示数据有效，可以进行温度的计算和显示，如果校验和错误，表示数据无效，可以重新发送开始信号，请求数据；单片机可以通过单总线向传感器发送控制命令，控制命令为8位的数据，每个命令表示一个功能，如写入控制字节、读取控制字节、启动温度转换、停止温度转换等，传感器接收到控制命令后，执行相应的功能。图3.4DS18B20温度检测模块实际接线图3.5设备震动检测模块如图3.5所示，震动检测模块是本系统的重要组成部分，其功能是检测设备的振动情况，当设备的振动超过一定程度时，触发声光报警，防止设备因过大的振动导致的损坏。震动检测模块采用SW-420震动开关，如图3.5所示，震动检测模块上电后，震动检测模块进行自检和初始化，设置输出电平为低电平，LED灯灭，等待接收震动信号；当设备的振动超过一定程度时，震动检测模块的金属球会与金属弹簧接触，形成闭合电路，输出高电平信号，LED灯亮，表示检测到震动；单片机通过中断方式检测震动检测模块的输出信号，当检测到高电平信号时，触发声光报警，发出提示和控制；当设备的振动恢复正常时，震动检测模块的金属球会与金属弹簧分离，形成断开电路，输出低电平信号，LED灯灭，表示未检测到震动；单片机通过中断方式检测震动检测模块的输出信号，当检测到低电平信号时，取消声光报警，恢复正常状态。图3.5震动检测模块实际接线图3.6设备噪音检测模块如图3.6所示，噪音检测模块是本系统的重要组成部分，其功能是检测工厂内的噪音情况，当噪音超过一定阈值时，触发声光报警，防止工人因噪音过大而受到伤害。噪音检测模块采用MAX4466电子麦克风，如图3.6所示，噪音检测模块上电后，噪音检测模块进行自检和初始化，设置输出电压为0V，等待接收声波信号；当工厂内的噪音超过一定程度时，噪音检测模块的电子麦克风会将声波转换为电压信号，电压信号的幅值和频率与噪音的强度和频率成正比；噪音检测模块的运算放大器会对电压信号进行放大和滤波，增强信号的信噪比，输出稳定的模拟信号；单片机通过内部的ADC接口采集噪音检测模块的模拟信号，将模拟信号转换为数字信号，进行噪音的计算和判断，如果发现噪音超过一定阈值，就通过内部的IO口控制声光报警模块的开关，发出提示和控制。图3.6噪音检测模块实际接线图3.7通信模块如图3.7所示，在工业现场设备的监控系统中，实现远程监控和数据传输是至关重要的一环。ESP8266无线通信模块以其低成本、低功耗和易于集成的特点，成为本系统中实现远程通信的理想选择。ESP8266是一款高度集成的Wi-FiSoC（系统级芯片），它内置了TCP/IP协议栈，允许用户通过简单的AT指令集或SDK（软件开发工具包）进行开发。在本系统中，ESP8266模块负责将STM32单片机采集到的设备数据通过Wi-Fi网络传输到远程服务器或云平台。STM32单片机通过UART（通用异步收发传输器）接口与ESP8266模块进行通信。在硬件连接上，STM32的TX（发送）引脚连接到ESP8266的RX（接收）引脚，STM32的RX引脚连接到ESP8266的TX引脚，实现数据的双向传输。在软件实现上，STM32通过发送AT指令来配置和控制ESP8266模块，如设置Wi-Fi网络参数、建立TCP连接等。同时，STM32还需编写相应的数据处理和通信协议程序，以确保数据的准确性和实时性。为了确保远程通信的安全性，本系统在ESP8266模块中实施了多种安全策略，包括加密通信、访问控制等。此外，为了应对网络不稳定或中断的情况，系统还设计了数据缓存和重传机制，以确保数据的完整性和可靠性。图3.7通信模块实际接线图3.8云平台数据存储设计云平台作为本系统的数据存储和管理中心，承担着数据接收、存储、分析和展示的重要任务。阿里云物联网平台因其稳定的服务、丰富的功能和良好的扩展性，成为本系统的首选云平台。该平台提供了设备接入、数据存储、数据分析、应用开发等一系列服务，能够满足本系统对远程监控和数据管理的需求。在阿里云物联网平台上，本系统设计了专门的数据存储结构，包括实时数据库和历史数据库。实时数据库用于存储设备的实时状态数据，如温度、湿度、噪音等，以便于实时监测和控制。历史数据库则用于存储设备的历史数据，包括各个时间段的数据变化趋势和分析结果，以便于后续的数据分析和管理决策。基于阿里云物联网平台的数据分析能力，本系统可以实现设备的性能分析、故障诊断、预测性维护等功能。通过对历史数据的挖掘和分析，系统可以发现设备的运行规律和潜在问题，为设备的优化运行和维护提供科学依据。系统还提供了丰富的应用接口，支持用户通过手机App、Web页面等方式远程查看设备的实时状态、历史数据和分析结果，实现设备的远程监控和管理。图3.8阿里云平台界面图4系统的软件设计4.1软件介绍Keil4是一款功能强大的集成开发环境(IDE),专为嵌入式系统开发而设计。它支持广泛的微控制器和处理器架构,包括ARMCortex-M、ARM7、ARM9、C16x、C51和8051等。Keil4为开发人员提供了全面的工具链,涵盖编译、链接、调试和模拟等各个方面。它的主要特点包括高效的项目管理工具,可实现跨平台操作;实时嵌入式模拟器,支持完整的指令集模拟和高级调试功能;集成的编辑器,支持代码高亮、代码折叠等功能,提高代码可读性;强大的调试器,支持单步执行、断点设置、变量观察等功能,方便开发人员跟踪和修复错误;丰富的库和示例代码,加速开发进度。此外,Keil4还提供了丰富的文档资源和技术支持,方便开发人员快速入门和解决问题。综上，Keil4是一款优秀的嵌入式开发工具,集成度高、功能强大、易于使用,为嵌入式系统开发提供了全面的支持,广泛应用于工业控制、通信、消费电子等多个领域。无论是初学者还是资深开发人员,Keil4都是一款值得拥有的优质IDE。图4.1Keil_4软件界面4.2软件程序的设计4.2.1主程序流程图4.2系统逻辑流程图如图4.2所示，为了实现系统的功能，系统的软件设计创建了多个任务，分别负责不同的功能，如温湿度检测任务、温度检测任务、震动检测任务、噪音检测任务、显示任务、报警任务、通信任务等，使用FreeRTOS的调度机制，实现任务的并发执行和优先级控制。温湿度检测任务的功能是定时读取DHT11温湿度检测模块的数据，通过单总线通信协议，获取温度和湿度的值，进行数据的校验和处理，如果发现湿度超过设定的下限阈值，就通过内部的IO口控制继电器模块的开关，驱动排湿风扇，将湿度降低到正常范围。温度检测任务的功能是定时读取DS18B20温度检测模块的数据，通过单总线通信协议，获取温度的值，进行数据的校验和处理，如果发现温度超过设定的上限阈值，就通过内部的IO口控制声光报警模块的开关，发出提示和控制，防止设备因高温而损坏。震动检测任务的功能是通过内部的中断方式检测SW-420震动检测模块的信号，当检测到高电平信号时，表示设备的振动超过一定程度，就通过内部的IO口控制声光报警模块的开关，发出提示和控制，防止设备因过大的振动导致的损坏。噪音检测任务的功能是通过内部的ADC接口采集MAX4466噪音检测模块的模拟信号，将模拟信号转换为数字信号，进行噪音的计算和判断，如果发现噪音超过设定的上限阈值，就通过内部的IO口控制声光报警模块的开关，发出提示和控制，防止工人因噪音过大而受到伤害。显示任务的功能是通过内部的I2C接口与OLED显示模块通信，将系统的各项参数和状态显示在显示器上，如温度、湿度、噪音、震动、报警等，也可以通过内部的IO口检测按键模块的状态，实现对报警的下限阈值的调整和显示的切换等功能。报警任务的功能是根据系统的各项参数和状态，判断是否需要触发声光报警，如果需要，就通过内部的IO口控制声光报警模块的开关，发出提示和控制，如果不需要，就取消声光报警，恢复正常状态。通信任务的功能是通过内部的串口接口与ESP8266无线模块通信，通过AT指令来配置和控制无线模块的参数和功能，通过TCP/IP协议栈与互联网上的服务器或客户端进行数据的交互，通过MQTT协议与阿里云的物联网平台进行数据的发布和订阅，实现远程控制的功能。4.2.2按键函数子流程图按键函数子流程图如图4.3所示；按键设置函数首先通过按键扫描函数，获取按键按下的相关信息，通过不同的键值，进行相应变量的改变。如果按键1被按下，进行界面切换。如果按键2被按下，界面1，设置温度阈值+1；界面2，设置湿度阈值+1；界面3，设置噪音阈值+1；界面4，设置振动阈值+1。如果按键3被按下，界面1，设置温度阈值-1；界面2，设置湿度阈值-1；界面3，设置噪音阈值-1；界面4，设置振动阈值-1。流程图如图4.3所示。图4.3按键程序流程图4.2.3OLED程序流程如图4.4所示，显示函数子流程如下图4-4所示，根据不同的显示标志位，显示不同的界面。界面0，显示系统一名称、温湿度、噪音和振动值；界面1，显示设置温度阈值；界面2，显示设置湿度阈值；界面3，显示设置噪音阈值；界面4，显示设置振动阈值。图4.4OLED子程序流程图4.2.4处理函数流程设计处理函数子流程如下图4.5所示，当湿度大于其阈值，开排湿风扇，否则关闭；当温度/湿度/声音大于其阈值或振动标志位为1，进行报警，否则不报警。图4.5处理函数子流程图4.2.5通信函数流程设计通信函数流程主要包括与ESP8266无线模块的初始化、数据发送和接收、以及与阿里云物联网平台的MQTT协议交互等步骤。通过这一流程，系统能够实时地将设备状态数据传输至云端，并接收来自云端的控制指令，实现设备与云端的双向通信。在通信函数流程开始时，首先需要对ESP8266无线模块进行初始化。这包括配置模块的参数、设置通信波特率、开启串口通信等。初始化完成后，模块将处于待命状态，准备接收和发送数据。当系统需要向云端发送设备数据时，通信函数会调用相应的发送函数，并通过ESP8266无线模块发送至云端。云端接收到数据后，可以进行分析和处理，为后续的决策提供支持。同样地，当云端需要向设备发送控制指令时，通信函数会监听来自ESP8266无线模块的接收数据。一旦接收到数据，函数会解析指令内容，并根据指令要求执行相应的操作，如调整设备参数、切换工作模式等。在整个通信过程中，MQTT协议扮演了关键角色。它使得设备与阿里云物联网平台之间能够建立稳定的连接，并实现数据的实时发布和订阅。通过MQTT协议，设备可以将数据上传至云平台，同时云平台也可以将控制指令下发至设备，实现了设备与云端的无缝连接。图4.5通信函数子流程图4.2.6中断函数流程设计中断程序是计算机系统中的重要机制，其工作原理是当硬件设备或软件发出中断请求时，CPU会立即响应并暂停当前任务，转而执行特定的中断服务程序来处理该请求。处理完成后，CPU会恢复原先的任务继续执行。这一机制实现了CPU与I/O设备的并行工作，及时处理硬件故障和软件错误，并允许人机交互、多道程序切换以及提高系统的实时响应能力。总之，中断程序通过高效的任务切换和信息处理，显著提升了计算机系统的整体性能和稳定性。要监测某种传感器的数据，并在达到一定条件时触发中断。首先定义传感器数据的阈值，然后初始化函数，初始化GPIO等硬件设置，设置传感器引脚为输入模式，配置外部中断线，当系统检测到一个中断事件时，比如硬件设备发出一个信号或者程序执行了一个特定的指令，系统会触发一个中断。在处理中断之前，系统需要保存当前被中断程序的上下文信息，包括程序计数器、寄存器状态以及其他必要的状态信息。这样可以保证在中断处理完毕后，被中断程序可以继续执行。一旦中断被触发，系统会跳转到预先定义好的中断服务例程或中断处理程序。这个例程是一段特殊的代码，用于处理特定的中断事件。它可能包括了一系列的操作，比如处理硬件设备、更新数据结构等。在中断服务例程中，系统会执行一系列的操作来处理中断事件。这包括了与硬件交互、更新数据结构、通知其他程序等。当中断处理完毕后，系统需要恢复被中断程序的上下文信息，以便程序可以继续执行。这包括恢复程序计数器、寄存器状态等。最后，系统会从中断服务例程返回到被中断程序的执行点，使其可以继续执行。中断函数的设计对于系统的实时性和响应速度至关重要。在本监控系统中，中断函数被用于检测特定事件（如设备振动异常、温度超标等），并在这些事件发生时执行特定的处理操作。以下是中断函数的具体设计流程：1.中断初始化配置中断源：选择需要监控的传感器或外设作为中断源，并配置相应的中断触发条件（如上升沿、下降沿或电平触发）。设置中断优先级：根据中断事件的紧急程度，为每个中断源分配优先级，确保紧急事件能够得到优先处理。初始化中断服务程序（ISR）：编写中断服务程序的框架，用于处理中断事件。2.中断触发当传感器或外设检测到符合条件的事件时，会向单片机发送中断请求。单片机响应中断请求，暂停当前正在执行的任务，跳转到对应的中断服务程序执行。3.中断服务程序执行在中断服务程序中，首先保存当前任务的上下文信息（如寄存器值、程序计数器值等），以便中断处理完毕后恢复执行。执行与中断事件相关的处理操作，如读取传感器数据、更新系统状态、触发报警等。根据需要，可以通过发送信号、修改全局变量等方式通知其他任务或系统组件。4.中断恢复完成中断处理后，恢复之前保存的上下文信息。执行中断退出操作，返回到被中断的任务继续执行。通过上述流程，中断函数能够有效地响应和处理系统中的异常情况，确保系统能够在第一时间做出反应，提高系统的可靠性。图4.6中断函数子流程图4.3云平台的搭建云平台的建立流程如下：第一步：通过阿里云这样的云服务提供商来建立一个系统,在建立系统之初，我们要打开阿里云控制台，根据需求创建相应的云资源，如ECS（弹性计算服务）实例、RDS（关系型数据库服务）等。随后，我们需要在云平台上设定并命名各种环境参数，包括但不限于温度、湿度、烟雾浓度以及光照强度等。这些参数的命名应当准确且易于理解，以便后续的数据采集、分析和处理。图4.7建立系统第二步：为了实现用户与云平台之间的顺畅交互，我们需要设计一款专用的APP。在APP设计过程中，我们要选择合适的模板作为基础，设计直观、用户友好的界面。同时，我们还要确保APP能够实时显示并更新之前设定的环境参数，让用户能够一目了然地了解当前环境的实时状况。图4.8设置面板第三步：在设计面板时，我们需要根据系统的要求来调整各项功能和布局。例如，调整各项参数的显示位置，使其更符合用户的使用习惯；调整阈值设置按钮的位置，方便用户快速进行阈值调整；以及调整模式设置的参数，以满足不同场景下的使用需求。这些调整旨在提升用户体验，使得云平台更加易用、好用。图4.9调整面板内容第四步：完成面板设计后，我们需要对整个系统进行调试和测试。这包括但不限于系统的各项功能测试、性能测试、安全测试等。同时，我们还要对网关进行测试，确保数据能够在云平台和用户之间顺畅传输。这一步骤至关重要，因为它直接关系到云平台能否稳定运行，以及用户能否获得良好的使用体验。在测试过程中，我们要及时发现并解决潜在的问题，确保云平台能够在各种场景下为用户提供准确、可靠的服务。图4.10系统测试毕业设计5系统的测试5系统的测试5.1软件硬件调试5.1.1软件调试（1）开发环境配置在软件调试开始前，首先配置了基于STM32的开发环境，包括安装Keil4IDE、STM32CubeMX工具，以及相关的HAL库和FreeRTOS操作系统。通过STM32CubeMX，配置了STM32F103单片机的时钟系统、引脚分配、外设初始化参数等，生成了对应的初始化代码框架。（2）代码编写与检查在生成的代码框架基础上，编写了系统的主要逻辑代码，包括温湿度检测、震动检测、噪音检测、显示更新、无线通信等任务的处理函数。在编写过程中，利用Keil4的自动格式化和代码高亮功能，确保代码的清晰可读。同时，对每一部分代码都进行了详细的注释，以便于后续的维护和调试。代码编写完成后，进行了静态代码检查，利用Keil4内置的编译器对代码进行了编译和链接，检查了语法错误、变量未定义等问题。通过不断地修改和迭代，最终生成了无编译错误的代码。（3）单元模块测试为了验证各个模块功能的正确性，进行了单元模块测试。首先，针对DHT11温湿度检测模块，编写了专门的测试程序，模拟不同的温湿度条件，观察单片机的读取结果和显示模块的输出，确保温湿度检测功能的准确性。类似地，对震动检测、噪音检测、OLED显示等模块也进行了单独的测试。（4）系统集成测试在单元模块测试通过后，进行了系统集成测试。通过编写完整的系统测试程序，模拟了实际运行环境中的各种场景，包括正常工作状态、异常情况下的报警处理、远程控制指令的接收与执行等。在测试过程中，使用了逻辑分析仪、示波器等工具对单片机的信号进行了捕捉和分析，确保系统的稳定性和可靠性。（5）云平台连接测试由于本系统集成了阿里云物联网平台，因此还需要进行云平台连接测试。通过编写专门的网络通信程序，测试了单片机与ESP8266无线通信模块的连接、ESP8266与阿里云的TCP连接建立、MQTT协议的订阅与发布等功能。同时，利用手机App对云平台上的数据进行实时监控和操作，验证了系统的远程监控功能。（6）性能优化与错误处理在测试过程中，发现了一些性能瓶颈和潜在的错误点。针对这些问题，进行了性能优化和错误处理。例如，对OLED显示的刷新频率进行了调整，减少了不必要的屏幕闪烁；对震动检测的灵敏度进行了校准，降低了误报率；在代码中添加了异常处理机制，当检测到异常情况时能够自动复位或进入安全模式。5.1.2硬件调试（1）硬件电路检查在硬件调试开始前，首先检查了硬件电路的正确性。根据原理图，逐一检查了各个模块的电路连接、电源供电、地线连接等。利用万用表测量了关键节点的电压和电流值，确保电路的正常工作。（2）模块功能验证针对每一个硬件模块，进行了单独的功能验证。利用专门的测试设备或模拟信号源，给每个模块提供了标准的输入信号，观察模块的输出响应和状态指示灯的变化。通过这种方式，验证了温湿度传感器、震动开关、电子麦克风等模块的基本功能。（3）系统整体测试在模块功能验证通过后，进行了系统整体测试。将各个模块按照原理图连接起来，上电启动系统，观察系统的整体运行情况。通过改变环境条件、触发报警阈值等方式，模拟了各种实际工作场景，验证了系统的实时性、稳定性和可靠性。（4）故障排查与修复在测试过程中，难免会遇到一些故障和问题。针对这些问题，进行了详细的故障排查和修复工作。利用示波器、逻辑分析仪等工具对故障信号进行了捕捉和分析，确定了故障的原因和位置。然后，根据具体情况采取了相应的修复措施，如更换损坏的元件、调整电路参数等。（5）环境适应性测试由于本系统应用于工业现场环境，因此还需要进行环境适应性测试。在不同的温度、湿度、电磁干扰等条件下对系统进行了长时间的运行测试，观察系统的稳定性和可靠性是否会受到影响。通过环境适应性测试，确保了系统能够在各种恶劣环境下正常工作。5.2实物展示实物展示的目的是展示系统的外观和功能，演示系统的工作效果，验证系统的实用性和可行性。实物展示的方法是使用跳线、电源等搭建系统的硬件平台，使用ST-LinkV2将系统的软件程序下载到单片机中，使用电脑、手机、平板等连接系统的无线模块，使用阿里云的物联网平台管理系统的数据和指令，使用声光报警模块、继电器模块、排湿风扇等模拟系统的报警和控制，使用温度计、湿度计、噪音计、震动计等模拟系统的异常情况，对系统的各项功能进行演示和验证。关机状态的实物如图5.1所示：图5.1系统实物图图5.2系统上电如图5.2所示，此时我们将系统上电，显示器上可以实时显示出当前的环境信息和设备名称。5.2.1湿度检测展示图5.3湿度检测如图5.3所示，是本系统的湿度检测展示，可以看到，OLED显示模块上显示了此时的湿度数据，当达到阈值时启动风扇排湿，并且报警电路启动。5.2.2噪音检测展示图5.4噪音检测图5.4是本系统的噪音检测展示，可以看到，当噪音检测模块检测数值超出给定阈值时，此时报警电路开始工作，提醒管理人员降低噪音。5.2.3震动检测界面图5.5震动检测图5.5是本系统的震动检测展示，可以看到，当震动检测模块相应一定的振幅时，此时报警电路开始工作，提醒管理人员注意设备振幅，防止设备损坏。5.2.4阈值设置界面图5.6温度阈值设置界面图5.7噪音阈值设置界面图5.8震动阈值设置界面图5.9温度阈值设置界面如图5.6、5.7、5.8、5.9所示，本系统可以通过按键或手机app对各项环境参数指标报警的阈值进行设置。5.2.5温度检测展示图5.10温度超限如图5.10所示，此时设置的温度报警阈值是16℃，但是此次检测到的温度实时的情况是23.1℃，所以蜂鸣器和APP同时进行报警。结论结论结论本文设计了一个基于STM32F103单片机和阿里云的工厂环境监测系统，该系统可以实时监测工厂内的温度、湿度、噪音、震动等参数，当发现异常情况时，可以触发声光报警，进行提示和控制，防止设备和工人受到伤害，同时，该系统可以通过无线模块和阿里云的物联网平台实现远程控制的功能，方便用户随时随地查看和管理系统的数据和指令。该系统采用C语言编程，使用Keil4开发环境，使用ST-Link