【毕业设计】基于STM32的冷链温湿度监测与报警系统设计（DS18B20+GPS+GSM短信+上位机）

本文设计了一套基于STM32F103C8T6的冷链运输监测系统，通过DS18B20和SHT30传感器采集箱内温湿度数据，结合NEO-6M GPS模块获取位置信息。系统采用本地蜂鸣器告警和SIM800C GSM短信报警双重机制，并通过串口将数据传输至上位机进行实时监控和数据存储。系统实现了冷链运输过程中的环境参数采集、异常报警、位置追踪等功能，解决了传统方案中远程告警缺失、数据记录不完整等问题。硬件

qq_40431685

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qq_40431685 · 2026-05-06 13:56:23 发布

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一、项目概述

1.1 课题背景

冷链运输最大的难点，不在“采集数据”，而在“采集到异常后能不能及时处理”。像药品、疫苗、生鲜、乳制品这些场景，对温度波动都比较敏感，一旦运输箱温度超限，可能直接造成整批货物失效。

传统冷链监控方案常见问题有：

只做本地温度显示，没有远程告警能力
数据记录不完整，后期追溯困难
只采集温度，不关注湿度和运输位置
断网或长距离运输场景下，监控链路不稳定

所以，这类毕业设计不能只停留在“温度传感器 + LCD 显示”层面，而是要把 多参数采集、超限报警、定位、通信、数据管理 串起来，形成完整系统。

本文设计一套基于 STM32F103C8T6 的冷链运输监测系统，结合 DS18B20、SHT30、NEO-6M GPS、SIM800C GSM 模块、蜂鸣器、继电器和上位机监控软件，实现运输箱体内部环境采集、越限报警、位置回传和历史记录管理。

1.2 设计目标

实时采集冷链箱内温度与湿度
对温度超限、湿度异常、箱门开启等状态进行报警
通过 GSM 短信向管理员发送异常通知
通过 GPS 获取当前位置和时间信息
在上位机中显示实时曲线与历史记录

1.3 主要功能

温度、湿度周期采集与本地显示
上下限阈值设置与本地蜂鸣器告警
GSM 短信异常通知
GPS 经纬度解析与运输轨迹记录
串口上传到上位机，完成数据可视化和日志存储
断电恢复后自动继续运行，保证运输过程连续记录

二、技术选型

模块	选型	说明
主控芯片	STM32F103C8T6	通用性强，接口资源满足项目需求
温度采集	DS18B20	单总线通信，精度较高，适合冷链场景
湿度采集	SHT30	I2C 接口，测量稳定
定位模块	NEO-6M	常见 GPS 模块，资料多、调试方便
短信报警	SIM800C	支持 AT 指令，适合异常短信通知
显示模块	OLED / LCD1602	显示实时温湿度、定位和告警状态
报警模块	蜂鸣器 + LED	本地声光告警
上位机	Python + PyQt5	便于做曲线和历史查询
存储方式	SQLite / CSV	轻量记录，易导出分析

三、系统总体架构

3.1 架构分层

整个系统可以拆成三个层次：

感知层：DS18B20、SHT30、门磁开关采集箱体状态
通信层：GPS 负责定位，SIM800C 负责短信告警，串口负责上传到 PC
应用层：上位机负责界面显示、报警记录、历史查询和轨迹管理

整体链路如下：

DS18B20/SHT30/门磁
        ↓
   STM32 数据采集处理
        ↓
 本地显示 + 蜂鸣器告警
        ↓
 GPS 定位解析 / GSM 短信报警
        ↓
    串口上传到上位机
        ↓
 实时曲线 + 历史存储 + 异常记录

3.2 数据管理思路

为了让系统更像一个完整毕设，建议把数据流分成三路：

本地路：OLED 显示当前状态，便于现场调试
应急路：短信报警，确保异常时能第一时间通知
管理路：串口上位机存档，便于后续复盘和出图

3.3 报警策略

报警逻辑可以设计得稍微完整一些：

温度高于上限或低于下限时触发告警
湿度超限时给出预警，但优先级低于温度报警
箱门开启时间过长时追加安全提醒
同一类报警在短时间内只发送一次短信，避免轰炸

四、硬件设计

4.1 硬件组成

组件	数量	作用
STM32F103C8T6	1	系统核心控制器
DS18B20	1~2	采集冷链箱内温度
SHT30	1	采集箱内湿度
NEO-6M	1	位置与时间获取
SIM800C	1	发送短信告警
OLED	1	本地显示
蜂鸣器	1	本地声响告警
门磁开关	1	检测箱门开闭状态
按键	2~3	模式切换与阈值设置

4.2 典型引脚设计

功能	STM32 引脚
DS18B20 数据口	PA1
SHT30 I2C	PB6 / PB7
GPS 串口	PA9 / PA10
SIM800C 串口	PB10 / PB11
蜂鸣器	PB12
门磁输入	PA8
OLED I2C	PB6 / PB7

4.3 硬件实现注意事项

SIM800C 发短信时电流脉冲较大，供电必须稳，建议单独降压
DS18B20 数据线需要 4.7k 上拉
GPS 天线位置尽量避开金属遮挡，否则室内冷链箱测试可能不容易定位
如果箱体是金属外壳，模块布局要考虑射频影响

五、STM32 软件实现

5.1 程序模块划分

固件可拆分为以下模块：

ds18b20.c：温度采集
sht30.c：湿度采集
gps_parse.c：NMEA 数据解析
gsm.c：AT 指令封装与短信发送
alarm.c：告警状态机
oled_ui.c：界面刷新
protocol.c：上位机数据上传协议

5.2 主循环逻辑

while (1)
{
    temp = DS18B20_ReadTemp();
    SHT30_ReadData(&humi);
    door_state = HAL_GPIO_ReadPin(DOOR_GPIO_Port, DOOR_Pin);

    GPS_ParseFrame();
    Alarm_Process(temp, humi, door_state);
    OLED_ShowRealtime(temp, humi, latitude, longitude, alarm_state);
    Upload_Frame(temp, humi, latitude, longitude, alarm_state);

    HAL_Delay(1000);
}

5.3 温度超限判断

void Alarm_Process(float temp, float humi, uint8_t door)
{
    alarm_state = 0;

    if (temp > temp_high_limit || temp < temp_low_limit)
    {
        alarm_state |= 0x01;
    }

    if (humi > humi_high_limit)
    {
        alarm_state |= 0x02;
    }

    if (door == 1 && temp > temp_high_limit)
    {
        alarm_state |= 0x04;
    }

    if (alarm_state)
    {
        Buzzer_On();
        GSM_TrySendAlarmSMS(temp, humi, alarm_state);
    }
    else
    {
        Buzzer_Off();
    }
}

这段逻辑适合写进文章的原因很简单：它把“采集数据”和“业务判断”分开了，代码层次更清晰，答辩时也更容易解释。

5.4 DS18B20 采样示例

float DS18B20_ReadTemp(void)
{
    uint8_t temp_l, temp_h;
    int16_t raw;

    DS18B20_Start();
    DS18B20_WriteByte(0xCC);
    DS18B20_WriteByte(0x44);
    HAL_Delay(750);

    DS18B20_Start();
    DS18B20_WriteByte(0xCC);
    DS18B20_WriteByte(0xBE);

    temp_l = DS18B20_ReadByte();
    temp_h = DS18B20_ReadByte();
    raw = (temp_h << 8) | temp_l;

    return raw / 16.0f;
}

5.5 GSM 短信发送示例

void GSM_TrySendAlarmSMS(float temp, float humi, uint8_t state)
{
    static uint32_t last_send_tick = 0;
    char sms[128];

    if (HAL_GetTick() - last_send_tick < 300000)
    {
        return;
    }

    sprintf(sms, "ColdChain Alarm! T=%.1fC H=%.1f%% State=%d", temp, humi, state);
    GSM_SendSMS(\"13800138000\", sms);
    last_send_tick = HAL_GetTick();
}

5.6 上位机上传协议

建议采用固定字段格式，便于上位机解析：

T=3.6,H=68.2,LAT=31.2304,LON=121.4737,DOOR=0,ALARM=1

六、上位机设计

6.1 界面模块建议

一个能拿得出手的毕业设计上位机，至少要有这些区域：

实时数据显示区
温湿度曲线区
当前位置信息区
报警日志区
阈值设置区

6.2 Python 串口解析示例

def parse_frame(frame: str):
    data = {}
    for item in frame.strip().split(','):
        key, value = item.split('=')
        data[key] = value
    return data

6.3 日志入库表设计

CREATE TABLE cold_chain_log (
    id INTEGER PRIMARY KEY AUTOINCREMENT,
    temperature REAL,
    humidity REAL,
    latitude REAL,
    longitude REAL,
    door_state INTEGER,
    alarm_state INTEGER,
    created_at DATETIME DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP
);

七、系统调试与问题处理

7.1 DS18B20 温度偶发异常

常见原因：

单总线时序不稳定
线太长，干扰大
上拉电阻取值不合适

建议：

优先缩短连线
校验 CRC
对异常值做一次剔除，避免直接触发短信报警

7.2 SIM800C 发短信失败

重点排查：

SIM 卡状态是否正常
天线连接是否可靠
电源是否能承受发射瞬时电流
AT 指令返回值是否正确处理

7.3 GPS 无法快速定位

这是冷链项目里很常见的问题，特别是室内测试时。建议：

先在室外完成定位调试
答辩演示时可提前缓存最近一次定位
若只是演示链路，也可以把 GPS 数据解析和历史轨迹作为辅助亮点展示

7.4 报警短信重复发送

如果没有做节流，系统会在连续超温时不断发送短信。解决方式：

设置最小发送间隔
增加“进入报警态才发一次”的状态机
恢复正常后再允许下一次报警触发

八、测试方案

测试项	方法	预期结果
温度超限报警	加热传感器附近环境	蜂鸣器响起并触发短信
湿度异常	人为制造高湿环境	上位机显示预警状态
门磁联动	打开箱门	状态位变化并记录日志
GPS 定位	室外通电测试	获取经纬度信息
串口上传	连接上位机持续运行	曲线连续刷新、日志正常入库