基于Arduino的溫度監控系統設計

劉文藝

（成都七中嘉祥外國語學校 四川 成都 610000）

1 引言

隨著科學技術的快速發展，尤其是近年來移動互聯網迅速發展，為實時情況監測提供了必要的條件，使得人們可以隨時隨地了解所需要的信息數據成為可能。在藥品儲存，冷鏈物流，化工電子，食品物流等行業中溫度的監測及控制是必不可少的。隨著冷鏈物流的飛速發展，運輸過程中對食物藥品安全保存溫度環境的監控便顯得尤其重要，而傳統的溫度計測量方式具有操作不方便，測量誤差大，反應應對遲緩等諸多問題。本文利用LM35精密攝氏溫度傳感器對運輸環境溫度進行監測，結合Arduino硬軟件設計平臺對該集成電路進行控制，可達到快速，精確，簡便，遠程監測的效果，并在出現意外情況時能及時應對。具有時效性強，成本低廉，結構簡單特點。

2 系統主要功能

該系統主要希望實現的功能目標：

（1）溫度數據的實時檢測和顯示。

（2）對歷史數據進行記錄，以便在以后可以對數據行分析和追溯。

（3）當溫度超過設定閾值的時候能自動報警。

原理及需求分析：冷鏈物流是指冷藏冷凍類物品在生產、貯藏、運輸、銷售，到消費前的各個環節中始終處于規定的低溫環境下，以保證物品質量和性能的一項系統工程。在冷鏈物流中，溫度對食品藥品影響很大，溫度較高會使運輸過程中的冷藏物品腐敗變質，同時對于溫度敏感性藥物也易造成藥物變性失效。

本系統采用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，結合Arduino系統開發板及其軟件平臺對溫度傳感器進行控制和數據接收，從而達到簡單、快速、有效地對運輸儲存環境溫度進行監測的目的。

3 硬件設計

本系統采用溫度傳感器獲取電信號，經過轉換形成溫度數據傳遞給主控制MPU，主控Arduino開發板獲取到溫度數據后，通過無線模塊轉發給上位機。上位機軟件接收到溫度數據，通過軟件界面顯示在計算機，或者移動終端上。系統結構如圖1。

圖1 溫度監測系統結構圖

3.1 Arduino系統開發板

Arduino是一款簡易開源電子原型平臺，分為硬件（各種型號的Arduino板）和軟件（Arduino IDE）兩個部分，具有易理解，易上手，開發環境及語言簡便等特點。使用Arduino制作作品或進行產品開發具有十分明顯的優勢。因其可跨平臺性、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，并帶有一根自恢復保險絲，能夠保護計算機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個數字引腳都可用作輸入和輸出。開發板如圖2。

Arduino UNO的產品參數：

工作電壓：5V

微處理器：ATmega328

時鐘頻率：16MHz

輸入電壓（推薦）7～12V

輸入電壓（限制）6～20V

數字I/O端口 14（6個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 內存：32KB（ATmega328）（0.5KB用于引導程序）

尺寸：75x55x15mm

圖2 Arduino UNO 開發板

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，具有重復性好，低輸出抗組等優勢。其線性輸出和內部精密校準使得讀出或控制電路接口簡單方便，可單電源和正負電源工作。

（2）主要參數

工作電壓（范圍）：4V～30V

額定溫度范圍：-55℃至+150℃

線性刻度系數[傳感器益增（平均坡度）]：+10mV/℃

準確性（25℃典型值）：±0.2℃

非線性（典型值）：±0.18℃

負載調整率（25℃典型值）：±0.4mV/mA

線路調整（25℃典型值）：±0.01mV/V

硬件實物如所示。（圖3）

圖3 LM35AH精密攝氏溫度傳感器實物圖

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

圖4 傳感器上的Vout引腳連接到開發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引腳連接到開發板上的3v3無線模塊的GND引腳連接到開發板上的GND無線模塊的URXD引腳連接到開發板上的10號引腳無線模塊的UTXD引腳連接到開發板上的11號引腳。

圖5 ESP8266模塊與Arduino連接方式

3.2.2 A/D轉換模塊介紹 AD轉換器又名模數轉換器，通常是指將模擬信號轉換為數字信號的電子元件。本裝置中AD轉換器即是將輸入的電壓信號轉換為輸出的數字信號，方便Arduino開發板處理后將有效數據通過無線傳輸模塊傳輸至相應接受設備。

3.3 軟件設計

3.3.1 設計要求

（1）食品冷鏈物流中各類商品溫度要求：

A.冷卻畜禽肉、冰鮮水產品、植脂奶油蛋糕、配餐、果汁、酸（凍結點以上——4℃）

①冷凍畜禽肉水產品、冷凍果汁、冷凍飲品、冰蛋、速凍蔬菜、冷凍調制食≤-18℃

②冰淇淋≤-23℃～-25℃

③金槍魚≤-50℃

④運輸溫度≤-45℃

B.蔬菜、水果、巴氏殺菌奶、冷藏雞蛋、蛋液、調制熟肉、冷藏盒飯、含奶蛋糕、蛋糕胚、豆制品（凍結點以上——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（優級純）、NaOH（優級純）、抗壞血酸、酒石酸銻鉀，均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司生產；磷標準溶液（批號：102813環境保護部標準品研究所）。

③蘋果為-1℃～2℃

④發酵豆制品除外

（2）食品冷鏈中幾個需要規范的操作溫度波動控制范圍

冷凍冷藏食品生產加工過程運輸（包括食品原料采集）各環節溫度控制，由于環境變換，交接需要，溫度會有起伏波動，需要統一操作規范：

A.冷凍食品冷鏈名義基準溫度為-18℃以下

①運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，車廂內溫度應預冷到-10℃以下；

③冷庫應建有15℃以下的封閉式站臺；

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，短時間溫度回升不得高于-12℃。

B.冷藏食品冷鏈名義基準溫度4℃以下，凍結點以上

①運輸、商品交接、食品品溫回升溫度限度均為7℃（有些果蔬除外）；

②冷藏陳列柜短時間溫度回升不得高于10℃。

C.冷凍與冷藏食品預包裝環境溫度實際情況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輸過程溫度要求18℃以下為基準進行相關軟件設計，其余情況暫不考慮。

3.3.2 下位機和上位機軟件設計 下位機處理流程，如圖6所示：

（1）系統加電進入循環。

（2）傳感器開始采集數據。

（3）將傳感器采集的數據進行數字化（A/D轉換）。

（4）主控端將采集的數據轉發到無線模塊，無線模塊將數據轉發到上位機。

圖6 下位機程序流程圖

上位機的主要工作如圖7所示：

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

（3）保存HTML頁面數據到WEB服務器。

圖7 上位機程序流程圖

4 結語

本裝置利用Arduino硬軟件開發平臺，結合LM35AH精密攝氏溫度傳感器和無線連通設備實現對冷鏈運輸過程溫度的監控，達到方便、準確的監測目的。由下位機接收數據，上位機通過HTML代碼將數據反饋在網頁當中，實現數據可視化。具有時效性強，成本低廉，結構簡單特點。

[1]孫駿榮.arduino互動設計入門計算機與互聯網[M].北京，科學出版社，2015.

[2]張志勇.現代傳感器原理及應用[M].北京，電子工業出版社，2014.

[3]溫江濤，張煜.物聯網智能家居平臺DIY--arduino+Xively+手機+微信[M].北京，科學出版社，2015.

[4]陳呂洲.arduino程序設計基礎[M].2版，北京：航空航天大學出版社，2015.

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