基于單片機的便捷式車載溫濕度監測系統的設計與實現

張 敏,孫志剛,高萌萌,程 海，王國濤,2

(1.黑龍江大學 電子工程學院，哈爾濱 150008；2.哈爾濱工業大學 電器與電子可靠性研究所，哈爾濱 150001)

0 引言

近年來，隨著經濟的快速發展，普通家用汽車的保有率逐年提高。但是隨之而來的有關汽車安全的新聞報道層出不窮，如某新聞報導中，監護人將女童遺忘在車內，最終因夏季溫度過高、氣壓增強而使其缺氧窒息身亡。又如某老人在停車場被家人遺忘在車內，也因呼吸不暢導致昏迷。如果能在現有汽車系統中配備監測包括車內溫濕度在內的智能化車載監測系統，能在一定程度上減少此類事件的發生。

目前，我國國內中高檔汽車的中控系統已經集成有環境參數檢測系統，包括胎壓檢測、車內溫濕度檢測和空氣質量檢測等功能。但這套環境參數檢測系統在汽車出廠之前，已經統一安裝到整車配件中。該系統通過有線傳輸方式將檢測到的參數數據傳輸至汽車中控屏幕進行顯示。因此，當集成化的車載環境參數檢測系統的某個部件發生損壞時，需要前往固定維修地點，不僅維修過程復雜，而且所需維修費用高昂。而對于目前使用范圍更廣的普通家用汽車、舊款家用汽車以及運送批量貨物的面包車來說，都不具備車內環境檢測功能。因此，設計一個便攜式的可方便裝配的車載溫濕度檢測及報警裝置有著重要的現實意義。

在萬物互聯的時代，信息可以快速、高效地在人與物或者是物與物之間傳送。隨著物聯網的快速發展，近年來的智能家居產品層出不窮，和汽車有關的智能產品也逐漸涌現。文獻[3]設計了一套無線溫度智能監測系統，系統通過無線傳感網絡采集溫度數據，借助Zigbee網絡傳輸至車載智能終端進行實時監測與處理。文獻[4]設計了一套基于車載WSN網絡的車載環境監測系統，系統包括基于Zigbee的車載WSN網絡組網設計、APU模塊設計、云端服務器以及移動APP設計。文獻[5]設計了一個特種車輛溫控系統的溫濕度測量網絡，系統設計了一種基于XC164CS單片機和單總線技術相結合的溫濕度測量網絡，通過單路檢測電路完成多個溫濕度測點信號的同步測量。文獻[6]設計了一套基于信息融合技術的行車安全監測系統，系統由車載監測終端、遠程監測管理平臺和Android移動終端組成，實現了信息的采集與發送、本地預警判斷及遠程報警等功能。

本文在總結現有研究基礎上，利用成熟的物聯網傳感器技術，設計了一套基于單片機的便攜式車載溫濕度監測系統。該系統采用STC89C52 為硬件終端的主控制器，通過其控制DHT11 溫濕度檢測模塊實時采集車內的溫濕度參數，并將參數數值顯示在本地的LCD液晶模塊上。該系統還設計了可遠程使用的手機APP軟件，它通過HC-05 藍牙通信模塊與主控制器建立通信連接。這樣，主控制器將實時采集的溫濕度參數通過藍牙通信鏈路，及時傳輸至手機APP軟件進行顯示。同時，該系統保留本地與遠程預警閾值的設定功能。即：一方面，可以在本地通過按鍵設置溫濕度參數的預警閾值；另一方面，還可以在遠程通過手機APP軟件設置預警閾值，設置完成后傳輸到主控制器保存。在設置預警閾值后，主控制器在每次實時溫濕度參數采集時都會進行一次判斷，當采集的溫濕度數據超過設置的預警閾值，系統會及時進行本地聲光報警。由此可見，本文設計的基于單片機的便攜式車載溫濕度監測系統可移植性強，能夠有機的集成到現有的汽車控制系統中，擴展其功能。同時，該系統信息化程度高，車主在離開車的一定范圍內也能通過手機APP軟件查看車內的溫濕度信息，使車主突破了車內空間的限制。另外，該系統性價比較高，應用場景和使用范圍較廣。

1 硬件設計

本文設計的車載溫濕度監測系統主要包括車載監測設備、藍牙通信模塊和手機移動端APP軟件三部分，涵蓋物聯網技術的感知層、傳輸層和應用層。系統的硬件部分主要包括車載監測終端和藍牙通信模塊。車載監測設備主要包括以STC89C52 主控制器為核心的最小控制電路，外接DHT11 溫濕度檢測模塊、LCD1602 液晶模塊和基本外圍電路。以STC89C52主控制器為核心的最小控制電路與其他硬件模塊通過I/O口相連接。其中，DHT11 溫濕度檢測模塊負責實時采集車內的溫濕度參數，通過I/O口將溫濕度數據傳輸至最小控制電路，最小控制電路再次通過I/O口將溫濕度數據傳輸至LCD1602 液晶模塊顯示。藍牙通信模塊同樣通過I/O口與車載監測設備連接。它作為車載監測設備與手機APP軟件的“中轉站”，一方面，將車載監測設備實時采集的溫濕度參數發送至手機APP軟件；另一方面，將手機APP軟件設置的預警閾值及時反饋至車載監測設備保存。需要說明的是，最小控制電路的外圍電路包括電源電路、時鐘電路和復位電路等，聲光報警電路包括LED燈和蜂鳴器等。整個系統的硬件結構框圖如圖1 所示。

圖1 系統硬件結構圖

1.1 最小控制電路

車載監測設備選取STC89C52 型號的芯片為主控制器，它與電源電路、復位電路和時鐘電路組成最小控制電路。該芯片具有256 字節的內部數據存儲器，8 k字節的程序存儲空間，共有32 個I/O口。其中，P0 端口是8 個具有漏級開路的雙向I/O口，P1 、P2 和P3 端口都是8 個具有內部上拉電阻的雙向I/O口，可直接用串口下載數據及程序。同時，STC89C52 還擁有可編程的存儲器Flash，可以借助KEIL軟件對其進行程序設計。由此可見，本文選取的以STC89C52 為主控制器的最小控制電路能夠有效滿足溫濕度參數的實時采集、雙向藍牙通信和預警判斷的功能需求，其電路原理圖如圖2 所示。

圖2 最小控制電路原理圖

1.2 DHT11溫濕度檢測模塊

車載監測設備選取了結合NTC熱敏電阻器和電阻感濕元件為一體的DHT11 溫濕度檢測模塊，用于實時采集車內的溫濕度參數。DHT11 溫濕度檢測模塊的每個電阻感應元件都與一個高性能的單片機引腳相連，具有較高的穩定性和可靠性。該檢測模塊各種模擬串行接口均采用單線制，大大提升了傳輸效率。DHT11 溫濕度傳感器的溫度測量范圍是-20 至70 ℃，濕度測量范圍是20% 至90% RH，溫度的靈敏度為±1 ℃，濕度靈敏度為±5% RH。通常情況下，車內的溫度范圍為-20至50 ℃，濕度范圍為20% 至70% RH。可以發現，使用該型號的溫濕度檢測模塊能夠有效、快速的對車內環境進行測量，其電路原理圖如圖3 所示。

圖3 DHT11溫濕度檢測模塊電路原理圖

1.3 LCD1602液晶模塊

車載監測設備選取LCD1602 液晶模塊作為溫濕度數據的本地顯示模塊。LCD1602 液晶模塊的VCC端口連接5 V電壓源，VSS端口連接接地端。該模塊的寄存器選擇引腳是RS，當輸入高、低電平時，RS分別選擇為數據寄存器和指令寄存器。該模塊的讀寫線為R/W，當輸入高、低電平時，R/W分別為讀數據和寫數據。E為控制端，當E電平發生由高到低的變化時，液晶模塊開始執行任務。該模塊可直接用引腳與主控制器相連，它的讀寫操作都可以通過編程來實現。其電路原理圖如圖4 所示。

圖4 LCD1602液晶模塊電路原理圖

1.4 藍牙通信模塊

車載監測設備選取HC-05 藍牙通信模塊用于與手機軟件進行雙向數據通信。HC-05 藍牙通信模塊是可以配對手機、平板電腦等帶有藍牙功能的智能電子產品的藍牙串口模塊。HC-05 支持的波特率范圍是4 800 至1 382 400，通信距離為10 m，可支持的工作溫度為-25 至75 ℃。該模塊默認狀態為從機，可隨意進行指令切換，實用性強，方便靈活。由此可見，使用該通信模塊能夠滿足在車輛范圍內的溫濕度數據的快速傳輸，其電路原理圖如圖5 所示。

圖5 藍牙通信模塊電路原理圖

1.5 其他硬件說明

按鍵模塊用來設置本地溫濕度預警閾值，采用一排四列的連接方式。STC89C52 主控制器的P1 端口連接著按鍵控制端，按鍵按下的瞬間，系統就有了輸入信號的信息，根據輸入電平的高低決定P1 端口如何執行操作。

聲光報警電路在整個系統中起著提示作用，本文選用的是壓電式蜂鳴器和LED燈用于組成聲光報警電路。當STC89C52 主控制器判斷實時采集的溫濕度數據超過設定的預警閾值時，蜂鳴器發出報警聲且LED燈閃爍提示。

2 軟件設計

根據前文所述，系統軟件設計部分也包括車載監測設備、藍牙通信模塊、手機APP軟件3個部分。其中，車載監測設備在KEIL軟件中基于C語言環境開發，主要包括溫濕度數據的采集與傳送、預警閾值的設置和聲光報警。藍牙通信模塊集成在車載監測設備的軟件程序設計中，并根據設定的藍牙通信協議完成參數信息的發送、預警閾值的設置等雙向數據傳輸功能。手機APP軟件是基于Android技術開發的，主要包括溫濕度數據的接收與解析、預警閾值的設定等功能。

2.1 系統軟件流程設計

2.1.1 車載監測設備的流程設計

車載監測設備上電，系統初始化。初始化過程包括STC89C52 主控制器初始化，外圍電路初始化，藍牙通信模塊初始化配對連接，LCD1602 液晶模塊初始化。初始化完成后，首先判斷使用人員是否使用按鍵或手機APP軟件設置預警閾值。如果有新的預警閾值被設置，將其保存至本地監測設備的存儲空間中。如果未有新的預警閾值被設置，則開始一次實時的溫濕度參數采集，并將采集的溫濕度數據顯示到LCD液晶模塊。同時，通過藍牙通信模塊將該條溫濕度數據遠程發送至手機APP軟件。車載監測設備對比采集的溫濕度數據與設置的預警閾值，判斷是否到達報警條件。若采集的溫濕度數據到達預警閾值，則進行本地聲光報警；若未超過預警閾值，直接進行下一輪溫濕度參數采集。整個車載監測設備的軟件流程如圖6 所示。

圖6 車載監測設備的軟件流程圖

2.1.2 藍牙通信模塊的流程設計

藍牙通信模塊初始化過程中，系統完成車載監測設備與手機APP軟件的配對連接，直至配對成功。此時，藍牙通信模塊時刻處于待“命”狀態，判斷是否有來自車載監測設備或手機APP需要遠程傳輸的數據。如果判斷到來自車載監測設備的溫濕度數據，則及時轉發至手機APP軟件；如果判斷到來自手機APP軟件設置的預警閾值，則及時反饋至車載監測設備進行保存。藍牙通信模塊的軟件流程如圖7 所示。

圖7 藍牙通信模塊的軟件流程圖

2.1.3 手機APP軟件的流程設計

打開手機APP軟件進入主界面，在初始化階段與車載監測設備通過藍牙通信模塊配對成功。手機APP軟件實時判斷是否接收到來自車載監測設備發送的溫濕度數據，在判斷接收到溫濕度數據后，手機APP軟件解析溫濕度數據并在主界面進行顯示。在此過程中，手機APP軟件實時判斷使用人員是否在主界面設置預警閾值，若判斷設置了新的預警閾值，則及時將設置的預警閾值信息通過藍牙通信模塊反饋至車載監測設備。手機APP軟件的軟件流程如圖8 所示。

圖8 手機APP軟件的軟件流程圖

2.2 藍牙通信協議

車載監測設備與手機APP軟件通過藍牙通信模塊建立通信鏈路后，進行雙向數據通信需要遵守設定的數據通信協議，該協議包括參數傳輸協議和閾值設定協議。前者是由車載監測設備遵循，根據該協議車載監測設備將采集到的溫濕度參數整合成一條數據，經藍牙通信模塊發送至手機APP軟件。后者是由手機APP軟件遵循，根據該協議將手機APP軟件設置的預警閾值整合成一條數據，通過藍牙通信模塊反饋給車載監測設備。兩種協議均采用“起始幀+幀間隔+數據幀”的設定形式，如表1 所示。

表1 藍牙通信協議的設定形式

參數傳輸協議的數據幀由溫濕度參數與參數間隔組成，本文中，參數間隔符號選用英文半角下的“,”。數據幀的組成包括車內溫度和車內濕度。一條參數傳輸協議的信息示例如下：

*HLJUC,25,60

上述數據幀表示當前采集的車內的溫度為25 ℃，車內的濕度為60% RH。

閾值設定協議的數據幀由溫度上限、溫度下限、濕度上限、濕度下限和參數間隔組成。此處的參數間隔符號同樣選用英文半角下的“,”。一條閾值設定協議的信息示例如下：

*HLJUC&35,15,70,40

上述數據幀表示當前設定的溫度上限為35 ℃，溫度下限為15 ℃，濕度上限為70% RH，濕度下限為40% RH。

2.3 仿真測試

由于整個系統的硬件核心都在車載監測設備，因此在制作整個系統的實物之前，需要對設計的車載監測電路進行仿真測試。本文選用proteus99 軟件進行仿真測試，驗證車載監測設備能否正常運行。我們使用按鍵在本地設置溫度和濕度的預警閾值。如圖9 所示，此次仿真設置的溫度上限為30 ℃，溫度下限為10 ℃，濕度上限為50% RH，濕度下限為30% RH。

在仿真過程中，我們手動設置當前溫度為22 ℃，濕度為20% RH。此時，溫度和濕度都在設定的預警閾值范圍內，聲光報警電路不工作，如圖10 所示。

圖9 車載監測設備啟動后仿真圖

圖10 溫濕度在預警閾值范圍內仿真圖

當實時采集的溫度或濕度數據超出設置的預警閾值，會觸發聲光報警電路。聲光報警電路控制蜂鳴器發出鳴叫的同時，還會控制對應的LED燈閃爍。聲光報警電路中LED燈從左到右依次對應的是溫度上限、溫度下限、濕度上限和濕度下限。因此，當我們手動將溫度和濕度分別設置為35 ℃和45% RH，此時濕度在預警閾值范圍內，但濕度超出預警閾值的上限。可以發現的是，仿真圖中的左一LED燈亮起，蜂鳴器鳴叫，其仿真效果如圖11 所示。

圖11 溫度超過閾值上限聲光報警仿真圖

3 系統測試

在對車載監測設備成功仿真的基礎上，我們制作整個監測系統的實物，并對系統進行整體測試。首先，我們啟動車載監測設備，此刻實時采集的溫濕度參數為：溫度22 ℃，濕度66% RH。我們通過按鍵設置溫濕度參數的預警閾值。其中，我們設置溫度上限為36 ℃，溫度下限為18 ℃，濕度上限為80% RH，濕度下限為30% RH，如圖12 所示。

同時，我們運行手機APP軟件，與車載監測設備建立藍牙配對連接。我們可以發現，手機APP的主界面也實時顯示當前采集的溫濕度數據。并且，我們通過點擊設置按鈕和增大減小按鈕也能設置溫濕度參數的預警閾值，如圖13 所示。

圖12 按鍵模塊設置閾值圖 圖13 手機APP軟件主界面

為了測試本地聲光報警電路，我們人為的將溫度下限閾值重新設置為23 ℃，則此時實時檢測的溫度數據22 ℃低于閾值下限。可以發現，車載監測設備進行聲光報警，如圖14 所示。

圖14 本地聲光報警工作圖

至此，系統整體測試結束。需要說明的是，在實際測試過程中，因為汽車外殼或溫度等因素的影響，多次測試得出，藍牙通信的有效范圍為距離車載監測設備的8.2 m內。另外，在不同的溫度區間內，車載監測設備通過藍牙通信模塊向手機APP軟件傳輸溫濕度數據存在時間延遲，如表2 所示。

4 結束語

本文設計了一種基于單片機的便捷式車載溫濕度監測系統，有效解決了普通家用汽車或小型運輸車輛內部溫濕度快速監測的問題。系統包含車載監測設備、藍牙通信模塊和手機APP軟件三部分。車載監測設備用于實時采集車內的溫濕度參數，并及時在本地液晶屏上進行顯示。同時，車載監測設備與手機APP軟件通過藍牙通信模塊建立雙向數據通信。這樣，用戶同樣可以在手機APP軟件的主界面查看車內的溫濕度數據。用戶還可以通過本地按鍵或遠程手機APP軟件設置溫濕度參數的預警閾值，待設置完成后，車載監測設備會在實時參數采集的同時進行判斷，并及時進行本地聲光報警。以筆者所在的黑龍江省哈爾濱市為例，經過長時間的測試，本文設計的車載溫濕度監測系統在車內溫度范圍為-18 ℃至32 ℃、濕度范圍為50% RH至80% RH的環境中運行正常。經過多次測試，得出藍牙通信模塊的有效傳輸長度為8.2 m。另外。在-18 ℃至32 ℃對應的大溫度區間范圍內，車載監測設備與手機APP軟件之間參數傳輸的平均時延為265 ms。

表2 不同溫度區間的平均時延

下一步，筆者打算從兩個方面對本系統進行改進。一方面，目前本系統設計的車載監測設備還屬于測試品，但多次測試表明其功能完備、原理設計可靠。筆者將考慮與科技公司合作，將該系統成品化，進一步增強其實用性。另一方面，本系統選用的藍牙通信模塊的參數傳輸距離會受車體、溫度等因素的影響，具體表現為離開藍牙通信模塊7 m以后，信號開始迅速減弱。當超過8.2 m后，溫濕度數據的傳輸開始不穩定，甚至出現藍牙中斷現象。因此，筆者計劃將藍牙通信模塊更換為GSM/GPRS模塊。此時，只要保證人和車處于基站覆蓋的環境下，溫濕度數據就能進行有效傳輸，真正突破了空間的限制。并且，考慮到每條溫濕度數據的字節長度較小，通過設置GSM/GPRS模塊的傳輸頻次，能夠減少數據通信的流量，降低使用成本。