基于ARM的無線溫濕度監測控制系統

摘 要：隨著現代化生產模式的高速普及，人們對信息的傳輸速度要求越來越高，對生產環境安全性要求越來越嚴格。為此文章以基于ARM芯片，ESP8266無線WiFi傳感器和DHT11溫濕度傳感器設計出一套能對環境溫濕度參數進行無線監測控制的系統，從而滿足現代化生產的需要。

關鍵詞：ARM；溫濕度；WiFi通信；無線監控

引言

隨著現代化工業生產的快速發展，人們對信息的傳輸速度要求越來越快，對產品品質的要求越來越高。伴隨著物聯網[1]技術越來越成熟，物聯網技術在生產的各個環節都得到了廣泛應用。其中，溫濕度監測[2]在工業、農業、化工等行業都有很多應用。在生產過程中，往往需要監測生產現場的環境的溫濕度數據，以便保證生產的高效率和安全性。

目前，生產過程中對于溫濕度的監測大多數還處于現場監測現場控制模式，需要生產人員在現場查看與操控，這對生產人員的安全性存在一定的隱患。為了保證安全性，需要對溫濕度參數進行無線監測與控制。為此，本系統通過STM32將生產現場采集到的溫濕度參數經WiFi信息傳輸技術傳送到中控室進行監測和控制，極大程度地保證了生產人員的人身安全。同時采用的WiFi傳輸技術使得生產網絡化，信息的傳輸更加快速和便捷，提高了生產效率。

1 系統總體設計

無線溫濕度監測控制系統結構框圖如圖1所示。

本系統主要由3個部分構成：溫濕度參數監測控制設備、STM32和WiFi無線傳輸收發模塊。首先，由溫濕度監測模塊監測環境溫濕度參數，監測到的溫濕度參數通過下位機STM32上的WiFi無線收發模塊進行信息傳輸。然后，上位機上的WiFi無線收發模塊收到信息后，將信息傳遞到上位機并通過顯示屏將監測到的溫濕度參數顯示出來。最后，將監測到的溫濕度參數與設定的安全參數進行比較，根據比較結果發送相應的指令通過WiFi模塊傳輸到下位機，對控制設備進行控制。

2 硬件設計

硬件設計主要分為四大部分：ARM控制系統、溫濕度參數監測系統、WiFi無線收發模塊及控制設備。本系統設備選定本著價格適宜、布線簡單及調試方便的基本原則對所需實現功能進行選定。

2.1 ARM控制系統

STM32是構成本系統的最核心部分，需要擔任對溫濕度傳感器進行連接，信息獲取與處理，與WiFi模塊進行通信，完成監測參數的顯示等重要職責。

本系統采用ARM公司Cortex-M3[4]內核的32位閃存微控制器，具體型號為STM32F103RCT6。該芯片時鐘頻率為72MHz，電壓范圍2.0～3.6V，可在環境溫度-40℃～80℃下正常工作。具有性能高、功耗低、實時應用、價格低等優點[5]。具體參數如表1所示。

2.2 溫濕度參數監測系統

溫濕度參數的監測是本系統的第一環節，選擇合適的溫濕度傳感器有利于對環境參數的準確測量，適應不同的監測環境。

本系統產用DHT11數字式溫濕度傳感器[6]。DHT11含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。其專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，溫度測量范圍為0℃～50℃，測試精度為±2℃，濕度測量范圍為20%～90%，測試精度為±5%RH，測量溫濕度分辨率為8bit。具有體積小、響應快、性價比高和適用范圍廣等優點，能保證系統對環境溫濕度參數的長期、準確監測，保證系統的穩定運行。

DHT11溫濕度傳感器采用單線雙向的串行連接模式，進行一次監測及傳送所需時間一般在4ms左右[7]，通過模塊上的DATA引腳與STM32進行通信，傳輸監測到的溫濕度參數。

2.3 WiFi無線收發模塊

WiFi無線收發是本系統的重要組成部分，對采集到的溫濕度參數進行準確傳輸給上位機，同時接受上位機的控制信號，將信號傳遞給下位機進行對應控制。

本系統產用安信可ESP8266WiFi模塊。ESP8266WiFi具有三種工作模式，分別為STA模式、AP模式和STA+AP混合模式，可以滿足不同工作的需要。模塊支持Espressif IoT AT指令集，豐富的指令集非常便于對WiFi模塊的調試。同時，模塊支持UDP、TCP/IP、DHCP客戶端等多種協議，支持802.11b/g/n標準，支持UART/GPIO數據通信接口，使數據可在手機、平板、服務器、無線路由器和筆記本電腦等設備之間進行信息分享與傳輸。

ESP8266WiFi模塊與STM32通過串口UART連接通信[8]，STM32將監測到的溫濕度參數通過串口發送到WiFi模塊，再由WiFi模塊將信息傳送給接收WiFi模塊進行數據收發。

2.4 控制設備

控制設備是對監測到的溫濕度參數與設定的溫濕度參數進行比較后，根據比較結果運用PID算法對所需控制設備進行不同的控制。

本系統采用簡單的3.3V驅動的繼電器模塊進行控制。該模塊自帶光耦隔離，支持高低電平觸發。將繼電器IN引腳與STM32的IO相連，有STM32發送高低電平對繼電器進行控制。繼電器模塊主要連接實驗用微型加熱器和小風扇，通過PID算法的引用對環境溫濕度進行更精確控制，其簡單實用性滿足了對設備的操作需求。

3 系統軟件設計

系統軟件設計主要包括溫濕度采集、WiFi信息傳遞和上位機對信息分析及監控三部分的程序設計。整個系統軟件采用模塊化方法使用C++、C語言在Keil uvision4集成開發平臺下編寫。

3.1 溫濕度采集軟件設計

溫濕度采集軟件設計主要是將傳感器采集到的環境參數通過串口傳到下位機存儲，并將信息存儲等待WiFi模塊將信息發送。根據系統原理，溫濕度采集軟件流程圖如圖2所示。

3.2 WiFi信息傳遞

WiFi信息傳遞分為客戶端和服務器兩個部分。

客戶端部分為下位機連接的WiFi模塊，將其設置為STA模式，通過下位機STM32的串口寫入模塊初始化信息，完成對下位機WiFi模塊的初始化工作。初始化成功后，當STM32將存儲的溫濕度參數通過串口傳遞到WiFi模塊的發送緩沖區后，客戶端WiFi模塊通過信息通道將溫濕度參數發送給服務器模塊。同時，如果接收到上位機WiFi的控制信號，采取中斷模式，將上位機的控制信號采集接收，并發送到下位機STM32做出相應的操作。

服務器部分為上位機連接的WiFi模塊，將其設置為AP模式，通過上位機STM32的串口寫入模塊初始化信息，完成對上位機WiFi模塊的初始化工作。初始化成功后，等待接收下位機WiFi模塊的傳輸信息。當接收到下位機信息后，將信息通過串口送給上位機。同時，如果接收到上位機的設定信息，如：上限溫度等。接收到信息后采取中斷模式，將信息通過上位機WiFi模塊發送到下位機接收。

客戶端和服務器WiFi模塊流程圖基本相同，WiFi流程圖及中斷流程圖如圖3所示。

3.3 信息分析及監控

上位機STM32對接收到的WiFi信息，通過解析提取出來，將監測到的溫濕度信息用串口輸送到顯示屏上顯示。同時，可以將人工設定的上限溫度值等信息通過中斷方式用WiFi模塊傳達給下位機，便于下位機實現對環境變量采取相應的控制功能。

4 系統測試

完成以上系統硬件調試后，還需針對不同模塊進行相應配置，從而完成整個系統的設計。

4.1 WiFi收發模塊的相應配置

關于WiFi收發模塊，調試方式有很多種。本系統先行在PC機上使用串口工具對WiFi模塊進行調試。設置好作為服務器和客戶端WiFi模塊的工作模式、WiFi名字和密碼等相關設定，用串口工具模擬WiFi模塊的收發數據。一切正常后將對應指令通過STM32串口傳輸方式對WiFi模塊進行初始化設定，具體調試的指令可以參考WiFi模塊支持的Espressif IoT AT指令集。通過這種調試方式可以使得系統更加靈活，便于系統應用到不同的工作環境中。

4.2 實驗結果

完成所有的軟硬件的配置工作后，風別在一定的環境下，將系統的STM32的上位機和下位機置于長10米的房間中。室內溫度為21℃，濕度35%RH（通過專業儀器測量）的環境下。先將兩塊ARM板相隔1米距離，經本系統測試，STM32上位機能接收到下位機經WiFi傳送過來的溫濕度信息，分別為21℃，濕度35%RH，且信號正常穩定。通過移動兩塊ARM板從1米到10米，WiFi傳輸信號不斷由強到弱不斷變化，但在WiFi的覆蓋空間內，始終都能正常的監測到溫濕度信息，并進行信息收發和對信息采取相應控制。然后，取一小塑料盒，用加濕噴霧器對塑料盒內進行均勻加濕，將塑料盒靜置1分鐘后，將溫濕度傳感器放入塑料盒內進行檢測，實驗發現在0.5秒內顯示屏上的濕度數值迅速發生改變，并顯示出正確的測量值。測試結果表明本系統滿足了設計的初始要求，達到了系統設計目標。

5 結束語

文章利用WiFi的無線傳輸能力，結合STM32和DH11溫濕度模塊，設計出一套無線溫濕度監測控制系統，用來滿足溫濕度監測在信息時代生產中的需要。采用本系統能對特殊工作環境或需要無線方式的復雜情境中對環境溫濕度進行監測和控制，并且采用WiFi方式可以接入互聯網使得所監測數據進行流通，更方便于對生產的無線操控。同時整體系統成本低、布線簡單、有較強的可擴展性，應用前景十分廣泛。

參考文獻

[1]彭揚.物聯網技術與應用基礎[M].中國物資出版社，2011.

[2]劉偉永，王鳳瑛.基于ZigBee技術的無線溫濕度監測系統設計[J]. 微型機與應用，2013，32（11）：64-65.

[4]楊日容.基于Cortex-M3的遠程大功率LED溫度測控系統設計[J]. 科技風，2013（20）：53-54.

[5]廖義奎.Cortex-M3之STM32嵌入式系統設計[M].中國電力出版社，2012.

[6]劉軍良.WiFi技術在溫濕度遠程監測系統中的應用[J].自動化儀表，2014（6）：79-82.

[7]王志宏，白翠珍.基于DHT11的實驗室多點溫濕度報警系統設計[J].山西電子技術，2011（4）：45-46.

[8]陳帥，廖志林，周建軍.基于物聯網遠程監測機房溫濕度系統設計[J].電聲技術，2015，39（2）：29-31.