基于物聯(lián)網(wǎng)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

類杰 韓玉 謝印忠

摘要：從環(huán)境溫濕度檢測(cè)、手機(jī)App 控制裝置以及遠(yuǎn)程服務(wù)器端三個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，裝置采用嵌入式單片機(jī) stm32芯片作為系統(tǒng)的核心組成環(huán)境溫濕度測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)藍(lán)牙或GSM模塊把溫度傳感器的溫度信息顯示在以及手機(jī)App 界面上，手機(jī)App 客戶端可實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和控制，利用藍(lán)牙技術(shù)與遠(yuǎn)程服務(wù)器端無(wú)線通信，遠(yuǎn)程服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及操作。被測(cè)量環(huán)境溫濕度變化劇烈時(shí)，信息能夠及時(shí)傳送到用戶App，超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)報(bào)警，并按設(shè)定開(kāi)啟通風(fēng)、空調(diào)或水簾模塊工作。

關(guān)鍵詞：嵌入式;藍(lán)牙;智能App;GSM

中圖分類號(hào)TP23?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1009-3044（2021）29-0017-03

Design of Temperature and Humidity Monitoring System Based on Internet of Things

LEI Jie， HAN Yu， XIE Yin-zhong*

（School of Automation and Electrical Engineering， Linyi University， Linyi 276005， China）

Abstract： The device is designed from three aspects： environmental temperature and humidity detection， mobile app control device and remote server. The device uses embedded MCU STM32 as the core of the system， the chip constitutes the environment tempera?ture and humidity measurement system. The temperature information of the temperature sensor is displayed on the mobile app inter ? face through Bluetooth or GSM module. The mobile app client can monitor and control the data in real time， and communicate with the remote server through Bluetooth technology. The remote server realizes the user data storage and operation. When the tempera?ture and humidity of the measured environment change violently， the information can be sent to the user app in time. When it ex?ceeds the set threshold， the alarm will be given， and the ventilation， air conditioning or water curtain module will work according to the set.

Key words： Embedded; Bluetooth; intelligent app; GSM

1引言

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，種植大棚的普及程度不斷提高，為了使大棚中作物生長(zhǎng)良好，環(huán)境溫濕度的控制工作十分重要，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚中一般都是在棚內(nèi)懸掛溫濕度計(jì)，通過(guò)溫度計(jì)和濕度計(jì)顯示數(shù)值，靠人工觀察判斷是否超出相關(guān)范圍，再啟動(dòng)相關(guān)控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，耗費(fèi)人力物力且不能實(shí)時(shí)精確控制。經(jīng)過(guò)研究利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)完成遠(yuǎn)近程可實(shí)時(shí)觀察的自動(dòng)大棚溫濕度控制系統(tǒng)。

本設(shè)計(jì)由數(shù)據(jù)顯示模塊、溫濕度采集模塊、無(wú)線傳輸模塊三個(gè)模塊組成。系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為控制器，使用10位精度的DHT11溫濕度傳感器模塊，將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)顯示在OLED 液晶顯示屏上，利用藍(lán)牙串口傳輸?shù)墓δ埽瑢?shù)據(jù)打包發(fā)送到開(kāi)發(fā)的智能App 中，并成功實(shí)時(shí)顯示溫度信息，并且用戶可以利用手機(jī)設(shè)置溫度閾值，報(bào)警電路則采用GSM模塊作為核心，當(dāng)達(dá)到用戶所設(shè)置的溫度閾值時(shí)，GSM會(huì)進(jìn)行撥打電路等措施通知用戶，以保證環(huán)境的安全性。同時(shí)，也可以通過(guò)手機(jī)App 中的按鈕來(lái)控制設(shè)備裝置的啟停[1]，使操作方式更加自動(dòng)化、智能化。

2設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)裝置主要由 STM32單片機(jī)模塊、GSM無(wú)線傳輸模塊、溫度信息采集模塊及液晶屏顯示電路模塊組成，如圖1所示。溫度信息通過(guò)DHT11傳感器進(jìn)行溫濕度度采集，將采集信息傳遞給核心處理器STM32，通過(guò)數(shù)據(jù)處理后對(duì)狀態(tài)信息進(jìn)行顯示[2]。

2.1溫濕度傳感器模塊

環(huán)境的溫濕度由集成數(shù)字復(fù)合傳感器DHT11采集，精度溫度±2℃，量程0～50℃，濕度±5%RH，范圍20-90%RH;具有體積小、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、低功耗性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，適合農(nóng)作物溫濕度范圍測(cè)量。信號(hào)傳輸距離可達(dá)到20米以上，是各領(lǐng)域應(yīng)用甚至最為嚴(yán)苛應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選擇[3]。

集成傳感器 DHT11與微處理器（Micro-controller Unit; MCU）通過(guò)單線制的串行接口相連接，采用單總線數(shù)據(jù)格式，系統(tǒng)集成簡(jiǎn)單。供電電壓為3-5.5V，與MCU連接圖如圖2所示。電源引腳與底線間需接100nF 電容濾波。上電后需要等待1s 來(lái)穩(wěn)定狀態(tài)。 DHT11傳感器收到MCU 的開(kāi)始信號(hào)后，模式低功耗轉(zhuǎn)換為高速，待開(kāi)始信號(hào)結(jié)束后，向主機(jī)發(fā)送40bit 的響應(yīng)信號(hào)，觸發(fā)采集動(dòng)作。DHT11傳感器無(wú)開(kāi)始信號(hào)則不主動(dòng)進(jìn)行溫濕度采集[4]。

2.2 GSM無(wú)線傳輸模塊

利用模塊SIM800實(shí)現(xiàn)與手機(jī)的通信，SIM800模塊供電電壓為3.3V～5 V，控制指令為AT專用指令，與單片機(jī)之間通信方式為串口通信，SIM800與嵌入式單片機(jī)串口的 RX、TX 連接[5-7]，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)遠(yuǎn)距離的信息傳送，如圖3所示為 GSM800模塊與單片機(jī)通訊連接原理圖。

2.3藍(lán)牙模塊

近距離與手機(jī)通信可以采用藍(lán)牙無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)藍(lán)牙模塊HC-05來(lái)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的，模塊通過(guò)串口通信協(xié)議與手機(jī)或者單片機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)相連，上電時(shí)，建立手機(jī)與藍(lán)牙模塊之間的聯(lián)系， HC-05藍(lán)牙模塊支持主從機(jī)模式，本系統(tǒng)在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，采用了它的從機(jī)模式收發(fā)信息模式， HC-05藍(lán)牙模塊示意圖如如圖4所示。設(shè)計(jì)中為了更加簡(jiǎn)潔化，直接將藍(lán)牙協(xié)議棧和無(wú)線通信相應(yīng)的程序固定寫(xiě)死在藍(lán)牙模塊中，傳輸數(shù)據(jù)通過(guò)單片機(jī)與手機(jī)App 各自完成。

2.4人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)

顯示數(shù)據(jù)模塊使用了0.96寸的 OLED屏幕對(duì)溫度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。對(duì)比LCD顯示屏幕，OLED顯示模塊具擁有更加低的功率驅(qū)動(dòng)，且反應(yīng)速度、刷新頻率明顯提高。

在整個(gè)顯示屏幕中，在屏幕的第一行顯示所設(shè)計(jì)的裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)到的溫度數(shù)據(jù)，在第二行，顯示的是用戶所設(shè)置的最高溫度閾值，用戶通過(guò)手機(jī)App 發(fā)送溫度閾值，且顯示出來(lái)，即當(dāng)超過(guò)所設(shè)置的閾值時(shí)，報(bào)警電路就會(huì)啟動(dòng)，通知用戶采取措施[8-9]。

所以當(dāng)用戶在使用本款裝置時(shí)，既可以通過(guò)手機(jī)App 操作設(shè)備的啟停，也可以像使用傳統(tǒng)控制裝置一樣，使用實(shí)體按鍵對(duì)設(shè)備的開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制。實(shí)現(xiàn)了用戶的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

2.5 MCU選擇

控制器模塊核心采用法意半導(dǎo)體公司（ST）開(kāi)發(fā)的32位嵌入式微控制器STM32F103ZET6，該款單片機(jī)以ARM Cortex-M 為內(nèi)核，因?yàn)樗俣瓤臁Ⅲw積小、功耗低、內(nèi)部資源及外設(shè)接口豐富;公司提供強(qiáng)大的庫(kù)函數(shù)，編程起點(diǎn)低，性價(jià)比較高，應(yīng)用廣泛。

3程序設(shè)計(jì)

終端溫濕度測(cè)量軟件設(shè)計(jì)以C語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)，以KEIL5作為軟件編寫(xiě)平臺(tái)，利用ST-Link V2仿真器將編譯后的hex 文件燒錄。下面?zhèn)戎赜趯?duì)溫濕度傳感器模塊采集，數(shù)據(jù)顯示和GSM 模塊對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)信息等部分重點(diǎn)介紹。

3.1采集程序設(shè)計(jì)

圖5所示為溫濕度數(shù)據(jù)采集流程圖，在溫度采集部分程序中，首先對(duì)串口進(jìn)行初始化，系統(tǒng)會(huì)一直檢測(cè)DS18B20是否尋找到，當(dāng)查詢不到信號(hào)時(shí)，程序會(huì)一直輸出錯(cuò)誤，直到檢測(cè)到 DS18B20的信號(hào)存在時(shí)，才會(huì)進(jìn)行下一步，當(dāng)串口初始化完成后，將采集到的模擬量變?yōu)閿?shù)字量，最后利用程序中所帶的算法得出鍋爐實(shí)時(shí)溫度。

3.2 GSM通信模塊程序設(shè)計(jì)

通過(guò)發(fā)生AT指令控制GSM 的啟動(dòng)，在裝置正常運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)則會(huì)自動(dòng)發(fā)送當(dāng)前的溫度狀態(tài)給用戶。以及當(dāng)溫度超過(guò)所設(shè)置的閾值時(shí)，便自動(dòng)進(jìn)行撥打用戶手機(jī)號(hào)碼等措施，最大限度避免事故的發(fā)生。

農(nóng)作物生長(zhǎng)周期長(zhǎng)，需要長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)環(huán)境溫度，不僅僅需要投入大量的人力，耗費(fèi)較多的費(fèi)用，而且人工檢查的速度較慢，不能做到鍋爐溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)已經(jīng)預(yù)防，基于以上問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)了如下的一款裝置。啟動(dòng)裝置后，整個(gè)裝置由12V 的移動(dòng)電池供電，單片機(jī)首先需要執(zhí)行主函數(shù)中編寫(xiě)的程序，使各個(gè)模塊開(kāi)始工作。溫濕度傳感器得到溫濕度數(shù)據(jù)，并且保存數(shù)據(jù)，做到掉電不丟失數(shù)據(jù)，OLED顯示屏顯示出溫度信息，并且保持?jǐn)?shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)刷新，數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙HC-05模塊將數(shù)據(jù)顯示在手機(jī) App 界面上，且可以利用 App 控制其他設(shè)備的啟停，做到更加智能化。當(dāng)溫度突然升高時(shí)，裝置立即通過(guò)GSM

4測(cè)試與效果

我們將裝置搭建完成后，實(shí)際地進(jìn)行應(yīng)用，完成所設(shè)計(jì)的所有功能，具體實(shí)物圖如圖7所示。

在此次設(shè)計(jì)中，裝置能夠穩(wěn)定檢測(cè)出農(nóng)業(yè)大棚溫濕度信息，并且能夠?qū)?shù)據(jù)傳輸?shù)街悄蹵pp 界面以及顯示屏上，當(dāng)超過(guò)溫濕度閾值時(shí)撥打使用者電話，很好地完成了設(shè)計(jì)要求與目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]周智. 基于物聯(lián)網(wǎng)的空氣能熱泵機(jī)組控制系統(tǒng)的研究[D].武漢：武漢紡織大學(xué)，2020.

[2]胡成，楊林楠，郜魯濤. 基于TE2440-Ⅱ的嵌入式溫度采集驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2010，30（12）：3413-3415.

[3]徐鑫秀，趙士原. 基于DHT11傳感器的機(jī)房溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代信息科技，2020，4（14）：57-59.

[4]王寶芹，范長(zhǎng)勝，郭艷玲. 基于單片機(jī)的溫室溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2008，36（3）：39-41.

[5]黃波. 淺談GSM無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接口技術(shù)及實(shí)現(xiàn)[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新， 2020（34）：112-113.

[6]趙松玲.GSM智能模塊遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].南方農(nóng)機(jī)，2020， 51（12）：151.

[7]王娟，佟雨軒. 基于GSM智能燃?xì)庑孤﹫?bào)警裝置[J].技術(shù)與教育，2020，34（2）：15-18，28.

[8]趙艷芳. 基于移動(dòng)終端App 的輸液監(jiān)視器研制[J].護(hù)理學(xué)報(bào)， 2019，26（11）：77-78.

[9]王志奇.藍(lán)牙控制的OLED顯示器件研制[J].紅外與激光工程，2020，49（S1）：71-77.

【通聯(lián)編輯：梁書(shū)】