基于STM32 的高校電氣實驗室溫濕度監測系統設計

馬博經，張慧玲，俞丙威，王宇霄，包子洪，張藝越，金萬榮

（浙江廣廈建設職業技術大學 智能制造學院，浙江東陽，322100）

0 引言

高校電氣實驗室作為培養電氣工程師的重要場所，在現代教育體系中具有不可忽視的地位。隨著科技的不斷進步，現代電氣實驗室正朝著智能化、模塊化、網絡化、安全性等方向快速發展，以滿足科研和工業發展的需求，并為學生和工作人員提供更高效、更安全、更開放的實驗環境和條件[1～2]。然而，實驗室中常常面臨著溫濕度等環境因素對設備穩定性和學生實驗體驗的影響。尤其是電氣設備對溫濕度的敏感性，可能導致設備性能的下降和實驗數據的偏差。甚至存在實驗室安全隱患難以及時發現的情況，如火災、漏水等，如果不能及時發現和處理，必將會對實驗室的安全造成威脅[3]。

傳統電氣實驗室管理效率低下，實驗室管理員需要定期巡檢實驗室，記錄溫濕度等數據，工作量大且繁瑣。而且數據無法實時獲取，缺乏數據共享和分析的能力，無法滿足現代實驗室的高效運行和安全管理需求。

當前，雖然已有溫濕度監測系統在醫學、生物、農業、測量等實驗室環境中廣泛應用[4～6]，但仍存在實時性不高，網絡平臺開發難度大成本高，數據查看不便等問題。本文設計了一種高效可靠的高校電氣實驗室溫濕度監測系統，以滿足電氣實驗室溫濕度環境監測的需求。該系統能夠實時監測電氣實驗室的溫濕度變化，并將數據精確及時傳遞給實驗室管理人員，以確保設備的穩定運行和學生的安全實驗。

1 系統總體設計

本系統采用STM32F103C8T6 微控制器作為核心控制芯片，DHT11 作為溫濕度數據采集模塊，對高校內電氣實驗室環境的溫濕度狀況進行實時采集。ESP8266 作為WiFi傳輸模塊，溫濕度傳感器采集到的數據經STM32 處理后通過無線傳輸的方式上傳到OneNET 服務器，同時OLED 顯示模塊可以對溫濕度數據進行實時顯示。

OneNET 是中移物聯網公司推出的免費物聯網開放云平臺，傳感器以及各種終端設備可以通過平臺提供的API 接口和應用模板實現快速聯網，用戶也可通過該平臺處理、分析和存儲實驗數據。本系統使用OneNet 開放平臺展示數據，可以顯著節省開發服務器和平臺所需的時間和成本。此外，該平臺還具有數據存儲能力強、可視化效果好的優點，能夠滿足系統對數據展示和存儲的要求。在OneNET 云平臺上可對數據進行云存儲以及可視化展示，機房管理員可通過手機APP 端和Web 端隨時查看當前溫濕度狀況。當溫濕度數據超過設定閾值時，系統會通過郵箱以及微信推送的方式向機房管理員發送報警信息，以便及時采取措施。系統框圖如圖1 所示。

圖1 系統總體框圖

2 硬件設計

本系統的硬件設計主要包括電源電路、微控制器模塊、WiFi 無線傳輸模塊、溫濕度傳感器模塊、OLED 顯示模塊等外圍電路的設計與連接。DHT11 傳感器通過GPIO 口連接到STM32 微控制器，ESP8266 模塊通過UART 串口與STM32通信，OLED 顯示模塊則通過I2C 總線與STM32 連接。

■2.1 電源電路

在設計電源電路時，考慮到了該溫濕度在線監測系統的各個單元模塊對輸入電源的電壓級別要求不同，本系統將電源管理電路分為兩部分，設計電路圖如圖2 所示。

圖2 電源模塊電路圖

由于DHT11 溫濕度傳感器和OLED 顯示屏要求輸入電源電壓為5V，第一步先用LM2596S-ADJ DC-DC 調壓芯片將外部輸入電源進行一級降壓處理。本系統采用12V 直流電壓供電。輸出電壓的計算公式為：

式中：VOUT為芯片輸出電壓；VREF=1.23V；R1和R2為采樣反饋電阻。

當選取R1=1k Ω，R2=3k Ω 時，便可將LM2596 調壓芯片輸出電壓設置為4.92V，可以滿足OLED 顯示屏和溫濕度傳感器的電源需求。

本系統中的STM32 微控制器模塊和ESP8266 無線傳輸模塊的工作電壓均為3.3V，所以第二步再用AMS1117-3.3 芯片將LM2596 調壓芯片輸出電壓進行二級降壓降至3.3V 為其供電。

■2.2 微控制器模塊

微控制器選用的是STM32F103C8T6 嵌入式微處理器。STM32F103C8T6 微控制器搭載了ARM Cortex-M3 內核，具有較高的計算能力，性能可靠，能夠滿足系統的實時性要求，適用于對溫濕度數據進行處理和控制。它還擁有多個GPIO、UART、I2C 和SPI 接口，這些豐富的接口允許其與DHT11 傳感器、ESP8266 WiFi 模塊和OLED 顯示模塊等多個外部設備同時進行穩定的通信。此外，STM32F103C8T6還具有低功耗特性，適合進行長時間運行的監測系統。

■2.3 DHT11 溫濕度傳感器

本系統選用DHT11 作為溫濕度數據采集模塊，用于實時采集電氣實驗室的環境溫度和濕度數據。DHT11 傳感器采用單一的數字信號線進行連接，這使得其硬件集成變得相對簡單。在本系統中，DHT11 的信號線連接到STM32 微控制器的一個PB12 引腳上，用于傳輸傳感器輸出的數字信號。此外，DHT11 的供電線和接地線連接到STM32 的相應引腳，以提供傳感器所需的電源和地線。接口電路如圖3 所示。

圖3 DHT11 模塊接口電路

DHT11 傳感器使用一種簡單的單線制數據通信協議，其通信過程包括STM32 向傳感器發送請求、傳感器采樣并返回數據。DHT11 溫濕度傳感器在成本、功能和易用性之間取得了良好的平衡。雖然它的精度相對較低，但在室內環境監測應用中足夠可靠。通過DHT11 的數字信號輸出，可以直接與STM32F103C8T6 相連接，無需進行模擬信號轉換，簡化了數據處理流程。

■2.4 ESP8266WiFi 模塊

在本系統中，ESP8266 WiFi 模塊通過UART 串口與STM32F103C8T6 微控制器相連接，以實現數據的可靠傳輸。ESP8266 模塊的作用是作為數據傳輸通道，將采集到的溫濕度數據上傳到OneNET 服務器，從而實現從實驗室環境到云端的溫濕度數據傳輸，使用戶能夠遠程監測實驗室的溫濕度狀況。ESP8266 接口電路設計如圖4 所示，TXD（發送數據）引腳連接到STM32 的RXD（接收數據）引腳，以實現STM32 向ESP8266 發送數據。同時，ESP8266 的RXD 引腳與STM32的TXD 引腳相連，以實現ESP8266 向STM32 返回數據。

圖4 ESP8266 模塊接口電路

■2.5 OLED 顯示模塊

采用OLED 顯示屏作為顯示模塊，負責在系統中實時顯示溫濕度數據。OLED 顯示模塊外圍接口電路設計如圖5 所示，OLED 顯示屏與STM32F103C8T6 微控制器通過I2C 總線進行連接，OLED 的SDA 數據引腳與STM32 的PB15 引腳連接，而SCL 時鐘引腳與STM32 的相應PB13引腳連接，以實現雙向數據傳輸。當STM32 從DHT11 傳感器采集到溫濕度數據后，數據經過處理和解析后，通過I2C 總線與OLED 顯示屏進行通信。STM32 將溫濕度數據發送給OLED 顯示屏，并通過控制OLED 的驅動芯片來顯示數據。OLED顯示屏使用其內置的顯示控制邏輯，將溫濕度數據以數字和文本的形式呈現在屏幕上。這樣，OLED 顯示屏模塊就將從DHT11 溫濕度傳感器采集到的數據以可視化方式直觀地呈現給教師、學生以及實驗室管理員，為實驗室內部的溫濕度環境狀況提供及時反饋，方便實時監測。

圖5 OLED 顯示屏模塊接口電路

3 軟件設計

該監測系統選擇了Keil μVision5 作為其嵌入式開發環境，并使用C 語言進行編程。首先進行系統初始化，然后調用GPIO 接口，設置定時器，進行數據采集和處理，響應中斷，以及進行UART 串口通訊，依次執行溫濕度數據采集、傳輸、顯示等操作。微控制器定期向DHT11 傳感器請求溫濕度數據，對數據進行校驗和濾波處理。采集到的數據傳遞給OLED 顯示，并通過WiFi 模塊使用MQTT 協議發送到OneNet 云平臺。整個主程序流程是一個持續循環的過程，確保對機房溫濕度的實時監測和調控。云平臺端使用OneNet 提供的API 接口，實現數據的接收、存儲和可視化展示。主程序流程圖如圖6 所示。

圖6 主程序流程圖

4 應用效果

根據《電氣裝置安裝工程低壓電器施工及驗收規范》等相關法條對配電室溫度和濕度國家標準做出了規定：配電室標準的溫度應保持在-5℃～+40℃，濕度應控制在80%RH 以下。只有保持在標準的范圍內，現場的電力機器才能保持良好的運行狀態，避免出現故障。所以本文將溫度報警閾值設置在40℃，濕度報警閾值設置在80%RH。當電氣實驗室環境溫度超過40℃，或者濕度超過80%RH，將會觸發報警。系統會向實驗室管理員進行微信推送，實現溫濕度異常報警。報警功能界面如圖7 所示。

圖7 溫濕度異常報警推送界面圖

經過實際測試，本系統能夠穩定地實時監測機房的溫度和濕度，并將數據準確地傳輸到OneNet 云平臺。在云平臺上，管理員可以隨時查看機房環境的變化趨勢，及時發現異常情況，實驗室溫濕度在線監測系統數據可視化界面如圖8 所示。一旦溫濕度超過設定閾值，系統能夠及時通過微信推送向管理員發送報警信息，保障了機房設備的安全運行。

圖8 溫濕度在線監測系統界面圖

5 結論

本文設計了一種基于OneNet 的高校電氣實驗室溫濕度監測系統，通過嵌入式硬件和軟件的協同設計，實現了溫濕度數據的實時監測、傳輸和可視化展示。通過應用效果測試，本系統能夠準確采集實驗室環境溫濕度數據并通過OLED 顯示器進行穩定顯示，用戶能夠通過OneNET 云平臺實時查看溫濕度數據，當溫濕度環境超過設定閾值能夠進行有效報警推送，有效地提高了實驗室設備運行效率和保障實驗室安全，基本能夠滿足現代高校電氣實驗室的溫濕度監測需求。該系統為高校機房的設備管理和運行維護提供了有力支持，具有廣泛的應用前景。同時，該系統具有低功耗、高性能、易于維護等優點，可以長期穩定運行，具有很高的實用性和推廣價值。