基于Arduino的溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉文藝

（成都七中嘉祥外國語學(xué)校 四川 成都 610000）

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，尤其是近年來移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)迅速發(fā)展，為實(shí)時(shí)情況監(jiān)測提供了必要的條件，使得人們可以隨時(shí)隨地了解所需要的信息數(shù)據(jù)成為可能。在藥品儲(chǔ)存，冷鏈物流，化工電子，食品物流等行業(yè)中溫度的監(jiān)測及控制是必不可少的。隨著冷鏈物流的飛速發(fā)展，運(yùn)輸過程中對(duì)食物藥品安全保存溫度環(huán)境的監(jiān)控便顯得尤其重要，而傳統(tǒng)的溫度計(jì)測量方式具有操作不方便，測量誤差大，反應(yīng)應(yīng)對(duì)遲緩等諸多問題。本文利用LM35精密攝氏溫度傳感器對(duì)運(yùn)輸環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)合Arduino硬軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)對(duì)該集成電路進(jìn)行控制，可達(dá)到快速，精確，簡便，遠(yuǎn)程監(jiān)測的效果，并在出現(xiàn)意外情況時(shí)能及時(shí)應(yīng)對(duì)。具有時(shí)效性強(qiáng)，成本低廉，結(jié)構(gòu)簡單特點(diǎn)。

2 系統(tǒng)主要功能

該系統(tǒng)主要希望實(shí)現(xiàn)的功能目標(biāo)：

（1）溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)檢測和顯示。

（2）對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，以便在以后可以對(duì)數(shù)據(jù)行分析和追溯。

（3）當(dāng)溫度超過設(shè)定閾值的時(shí)候能自動(dòng)報(bào)警。

原理及需求分析：冷鏈物流是指冷藏冷凍類物品在生產(chǎn)、貯藏、運(yùn)輸、銷售，到消費(fèi)前的各個(gè)環(huán)節(jié)中始終處于規(guī)定的低溫環(huán)境下，以保證物品質(zhì)量和性能的一項(xiàng)系統(tǒng)工程。在冷鏈物流中，溫度對(duì)食品藥品影響很大，溫度較高會(huì)使運(yùn)輸過程中的冷藏物品腐敗變質(zhì)，同時(shí)對(duì)于溫度敏感性藥物也易造成藥物變性失效。

本系統(tǒng)采用LM35AH精密攝氏溫度傳感器通過溫度改變變換電壓值從而測溫，結(jié)合Arduino系統(tǒng)開發(fā)板及其軟件平臺(tái)對(duì)溫度傳感器進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)接收，從而達(dá)到簡單、快速、有效地對(duì)運(yùn)輸儲(chǔ)存環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)測的目的。

3 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用溫度傳感器獲取電信號(hào)，經(jīng)過轉(zhuǎn)換形成溫度數(shù)據(jù)傳遞給主控制MPU，主控Arduino開發(fā)板獲取到溫度數(shù)據(jù)后，通過無線模塊轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)。上位機(jī)軟件接收到溫度數(shù)據(jù)，通過軟件界面顯示在計(jì)算機(jī)，或者移動(dòng)終端上。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 溫度監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 Arduino系統(tǒng)開發(fā)板

Arduino是一款簡易開源電子原型平臺(tái)，分為硬件（各種型號(hào)的Arduino板）和軟件（Arduino IDE）兩個(gè)部分，具有易理解，易上手，開發(fā)環(huán)境及語言簡便等特點(diǎn)。使用Arduino制作作品或進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)具有十分明顯的優(yōu)勢。因其可跨平臺(tái)性、開放性、語言操作簡單性，使Arduino成為全球最流行的開源硬件，更成為硬件開發(fā)的一大趨勢。Arduino UNO可通過USB連接或外部電源供電，并帶有一根自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，能夠保護(hù)計(jì)算機(jī)USB端口免遭短路和過電流的危害。利用pinMode（）；digitalWrite（）和digitalRead（）功能，其上的14個(gè)數(shù)字引腳都可用作輸入和輸出。開發(fā)板如圖2。

Arduino UNO的產(chǎn)品參數(shù)：

工作電壓：5V

微處理器：ATmega328

時(shí)鐘頻率：16MHz

輸入電壓（推薦）7～12V

輸入電壓（限制）6～20V

數(shù)字I/O端口 14（6個(gè)PWM輸出口）

模擬輸入端口 6

直流電流 I/O端口 40mA

直流電流 3.3V端口 50mA

Flash 內(nèi)存：32KB（ATmega328）（0.5KB用于引導(dǎo)程序）

尺寸：75x55x15mm

圖2 Arduino UNO 開發(fā)板

3.2 LM35AH精密攝氏溫度傳感器介紹

（1）簡單介紹

LM35AH精密攝氏溫度傳感器可在攝氏溫度下直接校準(zhǔn)，具有重復(fù)性好，低輸出抗組等優(yōu)勢。其線性輸出和內(nèi)部精密校準(zhǔn)使得讀出或控制電路接口簡單方便，可單電源和正負(fù)電源工作。

（2）主要參數(shù)

工作電壓（范圍）：4V～30V

額定溫度范圍：-55℃至+150℃

線性刻度系數(shù)[傳感器益增（平均坡度）]：+10mV/℃

準(zhǔn)確性（25℃典型值）：±0.2℃

非線性（典型值）：±0.18℃

負(fù)載調(diào)整率（25℃典型值）：±0.4mV/mA

線路調(diào)整（25℃典型值）：±0.01mV/V

硬件實(shí)物如所示。（圖3）

圖3 LM35AH精密攝氏溫度傳感器實(shí)物圖

（3）LM35AH精密攝氏溫度傳感器與Arduino開發(fā)板連接方式：（圖4）LM35AH精密溫度傳感器Vs連接到arduino開發(fā)板上的+5V，傳感器上的GND引腳連接到開發(fā)板上的GND。

圖4 傳感器上的Vout引腳連接到開發(fā)板上的模擬輸入端口A0。

3.2.1 無線傳輸模塊 ESP8266模塊簡介：ESP8266模塊與Arduino開發(fā)板連接方式如圖5所示。無線模塊的VCC引腳和CH_PD引腳連接到開發(fā)板上的3v3無線模塊的GND引腳連接到開發(fā)板上的GND無線模塊的URXD引腳連接到開發(fā)板上的10號(hào)引腳無線模塊的UTXD引腳連接到開發(fā)板上的11號(hào)引腳。

圖5 ESP8266模塊與Arduino連接方式

3.2.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊介紹 AD轉(zhuǎn)換器又名模數(shù)轉(zhuǎn)換器，通常是指將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的電子元件。本裝置中AD轉(zhuǎn)換器即是將輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字信號(hào)，方便Arduino開發(fā)板處理后將有效數(shù)據(jù)通過無線傳輸模塊傳輸至相應(yīng)接受設(shè)備。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

3.3.1 設(shè)計(jì)要求

（1）食品冷鏈物流中各類商品溫度要求：

A.冷卻畜禽肉、冰鮮水產(chǎn)品、植脂奶油蛋糕、配餐、果汁、酸（凍結(jié)點(diǎn)以上——4℃）

①冷凍畜禽肉水產(chǎn)品、冷凍果汁、冷凍飲品、冰蛋、速凍蔬菜、冷凍調(diào)制食≤-18℃

②冰淇淋≤-23℃～-25℃

③金槍魚≤-50℃

④運(yùn)輸溫度≤-45℃

B.蔬菜、水果、巴氏殺菌奶、冷藏雞蛋、蛋液、調(diào)制熟肉、冷藏盒飯、含奶蛋糕、蛋糕胚、豆制品（凍結(jié)點(diǎn)以上——7℃）

蔬菜、水果中不同品種有不同的貯藏適宜溫度，如：

①大白菜、土豆為0℃～15℃

②番茄分前、中、后期適宜溫度

過硫酸鉀（AR德國默克）；鉬酸銨（AR）、濃H2SO4（優(yōu)級(jí)純）、NaOH（優(yōu)級(jí)純）、抗壞血酸、酒石酸銻鉀，均為分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)；磷標(biāo)準(zhǔn)溶液（批號(hào)：102813環(huán)境保護(hù)部標(biāo)準(zhǔn)品研究所）。

③蘋果為-1℃～2℃

④發(fā)酵豆制品除外

（2）食品冷鏈中幾個(gè)需要規(guī)范的操作溫度波動(dòng)控制范圍

冷凍冷藏食品生產(chǎn)加工過程運(yùn)輸（包括食品原料采集）各環(huán)節(jié)溫度控制，由于環(huán)境變換，交接需要，溫度會(huì)有起伏波動(dòng)，需要統(tǒng)一操作規(guī)范：

A.冷凍食品冷鏈名義基準(zhǔn)溫度為-18℃以下

①運(yùn)輸過程溫度的回升限度為-15℃，并要求盡快降至-18℃；

②冷藏車裝載貨物前，車廂內(nèi)溫度應(yīng)預(yù)冷到-10℃以下；

③冷庫應(yīng)建有15℃以下的封閉式站臺(tái)；

⑤冷凍食品溫度超過-12℃，拒收；

⑥冷凍陳列柜上貨后要保持-15℃以下，短時(shí)間溫度回升不得高于-12℃。

B.冷藏食品冷鏈名義基準(zhǔn)溫度4℃以下，凍結(jié)點(diǎn)以上

①運(yùn)輸、商品交接、食品品溫回升溫度限度均為7℃（有些果蔬除外）；

②冷藏陳列柜短時(shí)間溫度回升不得高于10℃。

C.冷凍與冷藏食品預(yù)包裝環(huán)境溫度實(shí)際情況15℃以下為宜；冷藏陳列柜外部空氣溫度不超過24℃和55%RH。在本裝置中溫度控制范圍以運(yùn)輸過程溫度要求18℃以下為基準(zhǔn)進(jìn)行相關(guān)軟件設(shè)計(jì)，其余情況暫不考慮。

3.3.2 下位機(jī)和上位機(jī)軟件設(shè)計(jì) 下位機(jī)處理流程，如圖6所示：

（1）系統(tǒng)加電進(jìn)入循環(huán)。

（2）傳感器開始采集數(shù)據(jù)。

（3）將傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化（A/D轉(zhuǎn)換）。

（4）主控端將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到無線模塊，無線模塊將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到上位機(jī)。

圖6 下位機(jī)程序流程圖

上位機(jī)的主要工作如圖7所示：

（1）每隔30秒鐘，獲取無線數(shù)傳模塊穿過來的數(shù)據(jù)。（2）生成HTML頁面數(shù)據(jù)。

（3）保存HTML頁面數(shù)據(jù)到WEB服務(wù)器。

圖7 上位機(jī)程序流程圖

4 結(jié)語

本裝置利用Arduino硬軟件開發(fā)平臺(tái)，結(jié)合LM35AH精密攝氏溫度傳感器和無線連通設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)冷鏈運(yùn)輸過程溫度的監(jiān)控，達(dá)到方便、準(zhǔn)確的監(jiān)測目的。由下位機(jī)接收數(shù)據(jù)，上位機(jī)通過HTML代碼將數(shù)據(jù)反饋在網(wǎng)頁當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化。具有時(shí)效性強(qiáng)，成本低廉，結(jié)構(gòu)簡單特點(diǎn)。

[1]孫駿榮.arduino互動(dòng)設(shè)計(jì)入門計(jì)算機(jī)與互聯(lián)網(wǎng)[M].北京，科學(xué)出版社，2015.

[2]張志勇.現(xiàn)代傳感器原理及應(yīng)用[M].北京，電子工業(yè)出版社，2014.

[3]溫江濤，張煜.物聯(lián)網(wǎng)智能家居平臺(tái)DIY--arduino+Xively+手機(jī)+微信[M].北京，科學(xué)出版社，2015.

[4]陳呂洲.arduino程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].2版，北京：航空航天大學(xué)出版社，2015.

[5]ESP8266-01無線模塊兼容Arduino，http://zhongbest.com/2016/09/07/esp8266-01/.