基于物聯網疫苗冷鏈物流監測系統設計

1. 項目開發背景

隨著全球對疫苗運輸要求的提高，特別是針對溫度敏感型藥品（如疫苗）的冷鏈管理，如何保證疫苗在運輸過程中的溫度、濕度、震動等環境因素的穩定性已成為需解決的問題。疫苗運輸過程中，任何溫度或濕度的異常波動，都可能導致疫苗的效力下降，甚至失效，嚴重影響公共健康和醫療服務。

目前，疫苗運輸多依賴傳統的人工監控和定期檢查，難以實時獲取溫濕度等數據的變化。隨著物聯網（IoT）技術的發展，借助智能傳感器和遠程數據監控系統，可以實時監測疫苗運輸過程中的各種環境參數，確保疫苗處于適宜的環境中，提高冷鏈管理的自動化和智能化水平，減少人為因素對運輸質量的影響。

本項目設計一個基于物聯網的疫苗冷鏈物流監測系統，運用現代傳感器技術、無線數據傳輸、云平臺分析等手段，實現對運輸過程中環境狀態的實時監控，保證疫苗冷鏈運輸的質量與安全。

2. 設計實現的功能

本系統設計的主要功能包括溫濕度監測、震動監測、環境調節、實時報警、數據傳輸與存儲、定位跟蹤及無線控制等。具體功能如下：

1. 環境監測 ：
   • 溫度監測：實時采集運輸環境的溫度數據，確保其處于設定的安全范圍內。
   • 濕度監測：實時采集運輸環境的濕度數據，防止濕度過低或過高，保證疫苗運輸環境的穩定性。
   • 震動監測：檢測運輸過程中震動的強度，避免疫苗遭受劇烈震動導致的損壞。
2. 環境調節 ：
   • 制冷風機控制：當檢測到溫度高于設定值時，系統自動開啟制冷風機進行降溫。
   • 加濕器控制：當檢測到濕度低于設定值時，自動啟用加濕器進行補充濕度。
3. 報警提示 ：
   • 震動過大時，系統自動啟動蜂鳴器，提示駕駛員注意減少行駛震動，保護疫苗。
   • 觸發設定的溫濕度閾值時，系統發送警報信息。
4. 數據監控與控制 ：
   • 通過按鍵設置目標溫度、濕度等閾值。
   • 顯示屏實時顯示溫度、濕度和震動數據，確保駕駛員清晰掌握運輸狀態。
5. 遠程監控與控制 ：
   • 利用WIFI模塊將實時數據上傳至云平臺，并通過手機APP進行遠程監控與控制。
   • 支持歷史數據查詢與分析，確保管理人員能夠回溯運輸歷史，發現潛在問題。
6. 定位功能 ：
   • 系統集成GPS模塊，實時獲取運輸車輛的位置信息，提供經緯度坐標，便于車輛追蹤。
7. 云端數據存儲與分析 ：
   • 通過MQTT協議將數據上傳至華為云物聯網平臺，提供強大的數據存儲與分析能力，確保數據的安全和長期保存。

3. 項目硬件模塊組成

本系統的硬件組成主要包括以下幾個模塊：

1. STM32F103C8T6 主控芯片 ：
   • 本系統采用STM32F103C8T6作為主控芯片，具有高性能、低功耗的特點，能夠支持復雜的傳感器數據采集和處理任務，且兼容多種無線通信方式（如WiFi、藍牙等）。
2. 溫濕度傳感器 ：
   • 采用DHT22或AM2302等高精度溫濕度傳感器，用于采集運輸環境的溫度和濕度數據，精度高、響應速度快，適用于環境監測。
3. 震動傳感器 ：
   • 選用MEMS加速度傳感器，如ADXL345，檢測運輸過程中的震動強度，以判斷是否存在劇烈震動情況。
4. 制冷風機與加濕器控制模塊 ：
   • 通過繼電器控制制冷風機和加濕器的開關，保證溫濕度在設定范圍內。
5. 蜂鳴器模塊 ：
   • 用于報警提示，當檢測到溫濕度異?；蛘饎舆^大時，發出聲音警報，提醒司機注意。
6. WIFI模塊 ：
   • 采用ESP8266或ESP32 WIFI模塊，通過MQTT協議實現數據的無線傳輸，將實時數據上傳至云平臺并支持遠程控制。
7. GPS定位模塊 ：
   • 使用Neo-6M GPS模塊，獲取運輸車輛的實時位置信息，并將經緯度坐標上傳至平臺。
8. 顯示屏模塊 ：
   • 采用OLED或LCD顯示屏，實時顯示溫度、濕度、震動等監測數據。
9. 按鈕輸入模塊 ：
   • 通過按鈕設置溫濕度閾值，使用戶能夠根據實際需求調整監控范圍。

4. 設計思路

系統的設計思路基于物聯網（IoT）理念，借助智能傳感器采集溫濕度、震動等環境數據，通過STM32主控芯片進行數據處理和決策，并通過WIFI模塊將數據實時上傳至云平臺。同時，系統配備制冷風機、加濕器等環境調節裝置，能夠在檢測到環境異常時自動調節環境狀態。此外，通過蜂鳴器、顯示屏等模塊提供本地報警與監控，保證系統操作便捷直觀。

主要設計流程：

1. 數據采集 ：
   • 利用溫濕度傳感器和震動傳感器不斷采集當前環境的數據。
   • 通過主控芯片STM32F103C8T6進行實時處理。
2. 數據處理與決策 ：
   • 在采集到的數據基礎上，判斷是否超出設定的溫濕度閾值，若超出則通過控制模塊啟動相應設備（如制冷風機或加濕器）進行調節。
3. 報警與提示 ：
   • 震動傳感器若檢測到劇烈震動，系統會觸發蜂鳴器報警。
   • 若溫濕度異常，系統也會通過蜂鳴器發出警報，提示駕駛員。
4. 無線通信 ：
   • 通過WIFI模塊，利用MQTT協議將實時數據上傳至華為云平臺，供遠程用戶實時查看。
5. 云端存儲與分析 ：
   • 云平臺存儲數據，提供數據歷史查詢與分析功能，便于管理人員回溯歷史數據。
6. GPS定位功能 ：
   • 實時獲取車輛位置，并將經緯度信息上傳至平臺。
7. 控制與監控 ：
   • 通過Android手機APP或Windows電腦端進行遠程控制與監控，設定溫濕度閾值，查看歷史數據等。

5. 系統功能總結

6. 使用的模塊技術詳情介紹

1. STM32F103C8T6 主控芯片

• 核心：ARM Cortex-M3，具有高效的處理能力。
• I/O接口：多達37個可編程I/O引腳，支持多種外設。
• 存儲：64KB Flash，20KB SRAM，足以支持復雜算法與數據存儲。
• 通信接口：支持USART、SPI、I2C等常見通信協議，適用于多種傳感器與模塊。

2. 溫濕度傳感器 DHT22

• 測量范圍：溫度-

4080°C，濕度0100% RH。

• 精度：溫度±0.5°C，濕度±2% RH。
• 通信：單線通信，簡化硬件連接。

3. 震動傳感器 ADXL345

• 測量范圍：±2g, ±4g, ±8g, ±16g。
• 精度：提供高達13位分辨率的數據輸出。
• 通信：I2C或SPI接口，適用于高速數據傳輸。

4. WIFI模塊 ESP8266

• 支持IEEE 802.11 b/g/n。
• 支持TCP/IP協議棧，方便進行數據上傳與遠程控制。
• 兼容MQTT協議，適合與物聯網云平臺對接。

5. GPS模塊 Neo-6M

• 頻率：1Hz（可升級至5Hz）。
• 定位精度：通常為±2.5米，支持快速定位與高效數據傳輸。

6. MQTT協議

• 輕量級的消息發布/訂閱協議，適合低帶寬環境下的設備通信。
• 實現客戶端與云平臺之間的雙向通信。

7. 總結

本項目設計并實現了一種基于物聯網的疫苗冷鏈物流監測系統，利用STM32主控芯片和多種傳感器技術，結合WIFI無線數據傳輸和云平臺存儲，實現了溫濕度、震動等環境參數的實時監測與調節。系統不僅能夠自動控制溫濕度調節裝置，還能通過蜂鳴器、APP和云平臺進行實時報警和遠程控制，為疫苗運輸提供了高效、安全的解決方案。

8.STM32代碼設計

當前項目使用的相關軟件工具、模塊源碼已經上傳到網盤：https://ccnr8sukk85n.feishu.cn/wiki/QjY8weDYHibqRYkFP2qcA9aGnvb?from=from_copylink

下面是基于STM32F103C8T6主控芯片的疫苗冷鏈物流監測系統的main.c代碼框架，這個代碼實現了溫度、濕度、震動等數據采集，溫濕度超限控制，蜂鳴器報警，按鍵設置，以及通過WIFI模塊和MQTT協議上傳數據到華為云物聯網平臺。

#include "stm32f10x.h"
#include "lcd.h"
#include "dht11.h"
#include "vibration_sensor.h"
#include "relay.h"
#include "mqtt_client.h"
#include "gps.h"
#include "button.h"
#include "wifi_module.h"

// 定義溫度、濕度、震動的閾值
#define TEMPERATURE_THRESHOLD  10  // 溫度閾值（例如：超過 10°C）
#define HUMIDITY_THRESHOLD     50  // 濕度閾值（例如：低于 50%）
#define VIBRATION_THRESHOLD    500 // 震動閾值（例如：震動超過 500）

// 定義設備狀態結構體
typedef struct {
    float temperature;
    float humidity;
    int vibration;
    float latitude;
    float longitude;
} DeviceData;

// 初始化系統
void System_Init(void) {
    // 初始化LCD顯示
    LCD_Init();
    // 初始化溫濕度傳感器
    DHT11_Init();
    // 初始化震動傳感器
    Vibration_Init();
    // 初始化蜂鳴器
    Relay_Init();
    // 初始化按鈕輸入
    Button_Init();
    // 初始化GPS模塊
    GPS_Init();
    // 初始化WiFi模塊
    WiFi_Init();
    // 初始化MQTT客戶端
    MQTT_Init();
}

// 顯示當前狀態
void Display_Status(DeviceData *data) {
    LCD_Clear();
    LCD_Printf("Temperature: %.2f C", data- >temperature);
    LCD_Printf("Humidity: %.2f %%", data- >humidity);
    LCD_Printf("Vibration: %d", data- >vibration);
    LCD_Printf("Location: Lat: %.6f, Lon: %.6f", data- >latitude, data- >longitude);
}

// 采集溫濕度、震動等傳感器數據
void Collect_Sensor_Data(DeviceData *data) {
    // 采集溫濕度數據
    DHT11_Read(&data- >temperature, &data- >humidity);

    // 采集震動傳感器數據
    data- >vibration = Vibration_Read();

    // 采集GPS定位數據
    GPS_GetCoordinates(&data- >latitude, &data- >longitude);
}

// 溫度控制邏輯
void Control_Temperature(DeviceData *data) {
    if (data- >temperature > TEMPERATURE_THRESHOLD) {
        // 溫度超過閾值，啟動制冷風機
        Relay_ActivateCooling();
    } else {
        // 溫度正常，關閉制冷風機
        Relay_DeactivateCooling();
    }
}

// 濕度控制邏輯
void Control_Humidity(DeviceData *data) {
    if (data- >humidity < HUMIDITY_THRESHOLD) {
        // 濕度低于閾值，啟動加濕器
        Relay_ActivateHumidifier();
    } else {
        // 濕度正常，關閉加濕器
        Relay_DeactivateHumidifier();
    }
}

// 震動控制邏輯
void Control_Vibration(DeviceData *data) {
    if (data- >vibration > VIBRATION_THRESHOLD) {
        // 震動超限，啟動蜂鳴器報警
        Relay_ActivateBuzzer();
    } else {
        // 震動正常，關閉蜂鳴器
        Relay_DeactivateBuzzer();
    }
}

// 處理按鍵設置
void Handle_Button_Press(void) {
    // 按鈕設置溫度閾值和濕度閾值的代碼，具體實現根據硬件按鍵的方式來設定
    if (Button_IsPressed()) {
        // 假設按鍵按下時進行溫濕度設置
        TEMPERATURE_THRESHOLD += 1;
        HUMIDITY_THRESHOLD += 5;
    }
}

// 上傳數據到云平臺
void Upload_Data_To_Cloud(DeviceData *data) {
    // 通過MQTT協議上傳溫濕度、震動和GPS數據到華為云物聯網平臺
    char message[128];
    snprintf(message, sizeof(message), "{"temperature": %.2f, "humidity": %.2f, "vibration": %d, "latitude": %.6f, "longitude": %.6f}",
             data- >temperature, data- >humidity, data- >vibration, data- >latitude, data- >longitude);
    MQTT_Publish("vaccine/coldchain", message);
}

int main(void) {
    DeviceData deviceData;

    // 系統初始化
    System_Init();

    // 主循環
    while (1) {
        // 采集傳感器數據
        Collect_Sensor_Data(&deviceData);

        // 控制溫度、濕度和震動
        Control_Temperature(&deviceData);
        Control_Humidity(&deviceData);
        Control_Vibration(&deviceData);

        // 顯示當前狀態
        Display_Status(&deviceData);

        // 處理按鈕設置
        Handle_Button_Press();

        // 上傳數據到云
        Upload_Data_To_Cloud(&deviceData);
    }
}

代碼說明：

1. 系統初始化 ：在System_Init()函數中，初始化了LCD、溫濕度傳感器、震動傳感器、蜂鳴器、按鈕、GPS模塊、WiFi模塊和MQTT客戶端等子模塊。
2. 數據采集 ：Collect_Sensor_Data()函數用于采集溫濕度、震動和GPS坐標等傳感器數據。溫濕度通過DHT11傳感器獲取，震動數據通過震動傳感器讀取，GPS模塊提供定位信息。
3. 控制邏輯 ：溫度、濕度和震動的控制邏輯分別在Control_Temperature()、Control_Humidity()和Control_Vibration()函數中實現，判斷是否超過設定的閾值，觸發對應的控制設備（如啟動制冷風機、加濕器、蜂鳴器等）。
4. 按鈕操作 ：Handle_Button_Press()用于處理按鈕操作，假設按鈕按下時改變溫濕度的閾值。實際按鈕功能需要根據硬件設計進行調整。
5. 數據上傳 ：Upload_Data_To_Cloud()函數將采集的數據通過MQTT協議上傳到華為云物聯網平臺。上傳的數據包括溫度、濕度、震動和GPS坐標。
6. 顯示狀態 ：通過LCD顯示當前的環境數據，如溫度、濕度、震動值和GPS定位。

審核編輯 黃宇