智能家居的溫濕度系統(tǒng)設(shè)計

李瑩瑩，曾曉菊，何宇航，展云龍，鄒蘊(yùn)琦

（貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025）

0 引 言

近年來，隨著人們生活水平的提高，人們對居住環(huán)境的要求也越來越高。溫濕度是居家環(huán)境的重要參數(shù)，把握好溫濕度的調(diào)節(jié)對于優(yōu)質(zhì)的家居環(huán)境至關(guān)重要。本文結(jié)合實際生活需求，利用單片機(jī)和云平臺相結(jié)合的智能化技術(shù)，設(shè)計了一款能夠?qū)崟r監(jiān)測并調(diào)節(jié)溫濕度的智能家居系統(tǒng)，為居民生活質(zhì)量的改善提供了一定的參考價值。

品牌聯(lián)想評估內(nèi)容包括讀者在看到品牌時所能想到的閱讀推廣活動的基本特征（比如活動一般是什么形式、閱讀內(nèi)容的喜好程度、活動的時間、活動所代表的整體水平等）、品牌利益（讀者能從活動中收獲到什么、讀者認(rèn)為的價值存在點）、品牌態(tài)度（讀者對品牌的整體評價）。讀者所能聯(lián)想的事務(wù)越多，越具體，說明對品牌的關(guān)注度和參與度越高，而品牌態(tài)度則代表了讀者對活動的整體喜好程度。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

本系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)為主要控制單元，選擇DHT11作為溫濕度傳感器，LCD1602液晶顯示屏作為數(shù)據(jù)顯示器件，ESP8266 WiFi芯片作為通信模塊，可以實現(xiàn)通過微信小程序查看家居環(huán)境溫濕度參數(shù)，并可對智能家居設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制的功能。因此，本系統(tǒng)的下位機(jī)設(shè)計包含單片機(jī)最小系統(tǒng)、溫濕度傳感器模塊、LCD顯示模塊、無線通信模塊以及繼電器模塊5部分，上位機(jī)設(shè)計包含云服務(wù)器平臺和微信小程序顯示兩部分。系統(tǒng)設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)控制模塊

本設(shè)計采用STC89C52單片機(jī)作為控制核心，STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲器[1]。STC89C52雖然使用的是經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但經(jīng)過了大量的改進(jìn)，它具備了51單片機(jī)所沒有的性能。正是由于高效性和靈活性的優(yōu)點，它被廣泛地應(yīng)用于眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)，引腳如圖2所示。

式中：u,v∈{1,2,3}表示T1、T2和T3之間任意兩個時段的索引，Tu和Tv可以相同也可以不同；PEi,u表示電動汽車i在分時電價體系下Tu時段的充電需求；PEi(t)為在基本時間間隔t內(nèi)的充電功率；ρv表示Tv時段內(nèi)的分時電價價格；和分別表示非分時電價體系下的電動汽車各時段充電需求和電價，其中

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

2.2 溫濕度傳感模塊

云服務(wù)器是整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理及存儲的關(guān)鍵，也是整個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的重要組成部分，有了它才能實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時通信[7]。本系統(tǒng)的云服務(wù)器與下位機(jī)之間的通信采用TCP/IP的通信模式，即利用下位機(jī)的WiFi模塊與家用路由器相連接以訪問互聯(lián)網(wǎng)。

2.3 數(shù)據(jù)顯示模塊

由表3和圖3可知，在濃香型白酒貯存過程中，38%vol低度白酒比52%vol高度白酒總酸含量增加更快，隨著貯存時間的延長，其之間的改變量進(jìn)一步擴(kuò)大。經(jīng)過3年時間的貯存，高度白酒總酸含量的增長已經(jīng)趨于平緩，但是低度白酒卻依然增長很快。低度白酒較高度白酒更容易水解，酒中乙醇濃度的高低對于白酒水解具有重要的抑制作用。

2.4 無線通信模塊

本系統(tǒng)采用5 V的光耦繼電器，光耦繼電器是指含有一個金氧半場效晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）光耦合發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）的光耦，用光耦來控制開關(guān)狀態(tài)的固態(tài)繼電器。它是一種固態(tài)繼電器，用光耦驅(qū)動三極管，控制光耦端，通過單片機(jī)發(fā)送適當(dāng)?shù)碾娦盘枺怨鉃榻橘|(zhì)傳輸電信號。與電磁繼電器相比，光耦繼電器沒有機(jī)械觸點引起的磨損，因此擁有無限的使用壽命，同時無震動和切換等動作的聲音，安靜環(huán)保，并具有隔離作用和驅(qū)動能力。

2.5 繼電器模塊

為了實現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)與上位機(jī)控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，本設(shè)計采用ESP8266 WiFi模塊作為無線通信的主要器件。該模塊使用3.3 V單電源供電，支持通用異步接收/發(fā)送裝置（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART），通用輸入/輸出（General Purpose Input Output，GPIO）數(shù)據(jù)通信接口，內(nèi)置傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）棧，支持多路TCP Client連接[4]。該芯片可工作于3種模式下，分別是接入點（Access Point，AP）模式、單線程單元（Single-Threaded Apartment，STA）模式以及AP+STA混合模式，通過AT指令進(jìn)行配置。ESP8266模塊可以實現(xiàn)串口透傳、脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）調(diào)控、GPIO控制等主要功能[5]。該模塊與STC89C52單片機(jī)之間采用串行通信的連接方式，使用單片機(jī)固有的RX、TX串行通信接口與之相連，即可實現(xiàn)WiFi芯片與單片機(jī)的交互。

為了方便觀察系統(tǒng)采集的溫濕度數(shù)據(jù)，本設(shè)計選擇LCD1602液晶顯示屏作為實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示功能和方便觀察閾值調(diào)整的主要器件。它是一種專門用來顯示數(shù)字、符號以及字母等的點陣型液晶模塊，每行16個字符，能夠顯示兩行，具有可顯示內(nèi)容豐富的特點。此液晶顯示屏內(nèi)含復(fù)位電路，可以為用戶提供不同的控制指令，如工作方式設(shè)置、顯示開關(guān)控制、模式設(shè)置、清屏、光標(biāo)歸位、顯示移動等多種功能，具有微功耗、體積小、超薄輕巧等優(yōu)點，能夠很好地滿足本設(shè)計的需求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

微信小程序是一種用戶不需要下載安裝即可使用的應(yīng)用，具有豐富的功能和出色的使用體驗，降低了用戶的使用難度，充分體現(xiàn)了“用完即走”的理念，用戶不必為安裝過多的應(yīng)用而擔(dān)心內(nèi)存的問題，而且節(jié)省了大量的資金、時間以及人力，開發(fā)成本低[9,10]。小程序?qū)⑼ㄟ^建立超級入口的地位，成為微信生態(tài)鏈中不可或缺的力量，未來發(fā)展前景不可限量。

3.1 云服務(wù)器軟件實現(xiàn)

本系統(tǒng)采用DHT11溫濕度傳感器來采集環(huán)境中的溫濕度數(shù)據(jù)。DHT11是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它應(yīng)用特定的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，保證產(chǎn)品的高可靠性和長時間的穩(wěn)定性[1]。該傳感器內(nèi)含一個電阻式感濕元件和一個負(fù)溫度系數(shù)（Negative Temperature Coefficient，NTC）測溫元件，其濕度測量范圍為20%～95%，溫度測量范圍為-20～60 ℃[1]。在溫濕度檢測電路設(shè)計中，因為該傳感器僅有一個單總線串行輸出接口，造成了其發(fā)送和接收必須為三態(tài)特性，所以必須外接一個上拉電阻，使其在常規(guī)狀態(tài)下呈現(xiàn)高電平[2,3]。

本設(shè)計采用的是OneNet云服務(wù)器平臺，此平臺可協(xié)助開發(fā)者方便地進(jìn)行設(shè)備的接入與連接，短時間內(nèi)就可完成產(chǎn)品的開發(fā)與部署，并為智能硬件及智能家居產(chǎn)品提供全面的物聯(lián)網(wǎng)解決方案[8]。除此之外，OneNet云服務(wù)器平臺支持以太網(wǎng)、WiFi以及通用分組無線服務(wù)技術(shù)（General Packet Radio Service，GPRS）3種通信方式，而在本設(shè)計當(dāng)中，與以太網(wǎng)和GPRS相比，使用WiFi會更加便捷，所以本系統(tǒng)利用WiFi模塊來實現(xiàn)單片機(jī)與云服務(wù)器平臺之間的通信。

在系統(tǒng)啟動時，單片機(jī)會向ESP8266發(fā)送AT指令啟動WiFi模塊，并且完成TCP Client的部署，同時連接上遠(yuǎn)程TCP服務(wù)器。云服務(wù)器在WiFi模塊將信息以指定格式發(fā)送出去后，將數(shù)據(jù)接收、保存至本地數(shù)據(jù)庫中，緊接著將響應(yīng)和數(shù)據(jù)控制指令發(fā)送回下位機(jī)，至此下位機(jī)和云服務(wù)器之間完成交互，家居系統(tǒng)可以開始進(jìn)行正常工作。

3.2 微信小程序設(shè)計

軟件設(shè)計與實現(xiàn)是智能家居其智能與進(jìn)步的重要體現(xiàn)。與硬件設(shè)計不同，軟件部分無法進(jìn)行整體設(shè)計，因此需要考慮不同場合的功能需求進(jìn)行針對性的程序設(shè)計。軟件的總體設(shè)計是在微信小程序控制模式下，通過微信小程序發(fā)送指令，并將指令先傳送給云服務(wù)器，然后云服務(wù)器將收到的指令進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，進(jìn)而控制智能家居設(shè)備。這樣便實現(xiàn)了對智能家居設(shè)備的遠(yuǎn)程實時監(jiān)測及控制的操作，也充分發(fā)揮了微信小程序成本低廉、使用流暢以及打開率更高的優(yōu)勢[6]。

本系統(tǒng)中微信小程序的主界面包含“設(shè)備詳情”“數(shù)據(jù)記錄”“我的家居”以及“一鍵智能”4個版塊。首次登陸時，用戶可以對不同的家居設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的添加操作，添加完成后，微信小程序可實時監(jiān)控所添加設(shè)備的情況，并能夠遠(yuǎn)程操控，形成方便、快捷、高效的管理模式[11]。并且微信小程序可以對設(shè)備的歷史工作狀態(tài)進(jìn)行存儲，方便用戶隨時查看和分析。當(dāng)用戶啟動“一鍵智能”操作后，設(shè)備可依據(jù)環(huán)境的變化自動啟動或關(guān)閉。例如，當(dāng)溫度超過閾值時，家里的空調(diào)可以自動打開并設(shè)置在預(yù)定的模式。當(dāng)然溫濕度的閾值和設(shè)備啟動后的模式可以由用戶自定義，這也體現(xiàn)了本系統(tǒng)人性化的特點。

4 系統(tǒng)運(yùn)行與測試

本系統(tǒng)測試方案由按鍵功能測試、自動調(diào)節(jié)測試以及遠(yuǎn)程控制命令測試3部分組成。按鍵功能測試是在按下按鍵后通過觀察LCD顯示屏上的可設(shè)置參數(shù)是否發(fā)生改變來判斷該部分是否正常工作。按下設(shè)置鍵后，LCD顯示系統(tǒng)進(jìn)入設(shè)置界面，隨后按下加或減按鍵可以觀察到顯示屏上的閾值發(fā)生了相應(yīng)改變。最終再次按下按鍵退出設(shè)置并返回主界面。自動調(diào)節(jié)測試有改變環(huán)境溫濕度和修改閾值兩種方法，本系統(tǒng)采用修改閾值的方式。根據(jù)顯示屏上的溫濕度調(diào)整閾值，使當(dāng)前溫濕度超出閾值范圍，此時風(fēng)扇啟動且預(yù)警燈亮。遠(yuǎn)程控制命令測試是在微信小程序上發(fā)送指定的命令，觀察下位機(jī)是否接收并執(zhí)行命令，以此來判斷該部分功能是否正常。發(fā)送打開風(fēng)扇的命令后，風(fēng)扇啟動；發(fā)送關(guān)閉風(fēng)扇的命令后，風(fēng)扇關(guān)閉。同理，給步進(jìn)電機(jī)和指示燈下發(fā)相應(yīng)的命令，測試結(jié)果顯示相關(guān)功能均正常。通過以上3部分測試后發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定且功能正常。

由于面板壩輸水建筑物要在偶發(fā)工況或相當(dāng)長一段時間才有機(jī)會使用，有些問題不能及時暴露，一旦發(fā)生將導(dǎo)致工程安全運(yùn)用的風(fēng)險，所以，要及時總結(jié)高面板壩工程建設(shè)和運(yùn)行中出現(xiàn)的問題，取得相關(guān)經(jīng)驗，為提高認(rèn)識和采取有效措施提供借鑒。

5 結(jié) 論

本系統(tǒng)采用了DHT11溫濕度傳感器來采集數(shù)據(jù)，使用STC89C52單片機(jī)作為控制中心來處理數(shù)據(jù)，并使用ESP8266 WiFi模塊收發(fā)信息，利用云服務(wù)器將設(shè)備控制端與智能設(shè)備終端聯(lián)系起來，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。經(jīng)過測試，該系統(tǒng)具有實時性和穩(wěn)定性，并且使用方便快捷，還具有可遠(yuǎn)程操控和成本親民等優(yōu)點，在改善家居條件和提高居民生活水平方面發(fā)揮了積極的作用。