126 ELECTRONICS WORLD 技 術(shù) 交 流 溫度和濕度是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中非常重 要的參數(shù) 許多場合都需要精準測量與控 制 本文設計了一款基于物聯(lián)網(wǎng)的溫濕度 監(jiān)控系統(tǒng) 采用單片機控制數(shù)字式溫濕度 傳感器采集信息 驅(qū)動液晶屏顯示 同時 通過無線網(wǎng)絡傳輸給上位機進行溫濕度數(shù) 據(jù)的圖形顯示 記憶存儲與趨勢分析 報 警參數(shù)調(diào)整等 適用于溫室大棚 車間廠 房等對溫濕度進行控制的場合 1 溫濕度檢測方案 1 1 溫濕度測量的意義 無論是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 還是在日常生 活 溫度和濕度都是重要的參數(shù) 特別是 在紡織印染 溫室大棚 水產(chǎn)養(yǎng)殖 醫(yī)療 器械 文物保護 倉儲物流等諸多場合 不僅要測量溫濕度 還要對溫濕度實現(xiàn)控 制 使其保持在一定的合理范圍內(nèi) 溫度能反應物體的冷熱程度 其 實質(zhì)是物體分子熱運動的劇烈程度 根 據(jù)熱力學定律 可以通過物體隨溫度變 化的某些特性來對溫度實現(xiàn)測量 根據(jù) 測量時是否與被測物體接觸 可把測溫 方法分為接觸式和非接觸式測溫兩種 兩種方法各有所長 前者直觀可靠 但 速度稍慢 后者方便快捷 但有一定的 檢測誤差 實際應用中可根據(jù)具體情況 靈活選擇 我國溫度常用單位是 濕 度即空氣的干濕程度 通常指的是大氣 中水蒸氣的含量 能反應空氣的干燥程 度 可以用絕對濕度 相對濕度 露點 等表示 其中 相對濕度能給出大氣的 潮濕程度 沒有量綱 使用方便 因此 常用相對濕度 RH 來表示濕度 1 2 溫濕度測量傳感器的選擇 常用的測溫傳感器根據(jù)原理不同 有電阻式 電容式 熱電式 紅外式等多 種 根據(jù)輸出信號形式不同 主要分為模 擬式和數(shù)字式 模擬式測溫傳感器如金屬 熱電阻 熱電偶等 通常輸出的是連續(xù)的 電壓信號 需要經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù) 字信號以后 才可以被單片機等控制器應 用 而數(shù)字式溫度傳感器由于內(nèi)部集成了 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 可以直接輸出數(shù)字量 方便 與單片機接口 所以獲得了廣泛應用 實現(xiàn)濕度測量的傳感器通常稱為濕敏 元件 主要有電阻式 電容式兩大類 濕 敏電阻是利用濕敏材料吸收空氣中的水分 而導致本身電阻值發(fā)生變化這一原理而制成的 如氯化鋰濕敏 電阻 其優(yōu)點是靈敏度高 但線性度和產(chǎn)品互換性差 濕敏 電容一般是用聚苯乙烯等高分子薄膜電容制成的 當環(huán)境濕 度發(fā)生改變時 濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化 使其電容量 也發(fā)生變化 其電容變化量與相對濕度成正比 濕敏電容靈 敏度高 互換性好 響應速度快 滯后小 易于實現(xiàn)小型化 和集成化 但精度一般比濕敏電阻要低一些 在同時需要測量溫度和濕度的應用場合 可以優(yōu)先選 擇溫濕度一體化傳感器 既節(jié)省空間 又能降低成本 比如 國產(chǎn)單線制的DHTxx系列 內(nèi)部用負溫度系數(shù)熱敏電阻測 溫和濕敏電容測濕度 瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的二線制的 SHTxx系列 也可以使用AM2301等 由于SHT系列應用成 熟 抗干擾能力更強 對穩(wěn)定性和精度要求高的場合建議選 擇SHT系列溫濕度傳感器 2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計 溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示 系統(tǒng)主要包括單 片機模塊 溫濕度采集模塊 液晶屏顯示模塊 無線通信模 塊 上位機以及底層執(zhí)行機構(gòu)等 按照物聯(lián)網(wǎng)的三層體系架 構(gòu) 單片機模塊 溫濕度傳感器和執(zhí)行機構(gòu)等屬于感知層 傳輸層是建立在無線傳感網(wǎng) 局域網(wǎng) 移動網(wǎng)絡基礎上的 實現(xiàn)對感知層數(shù)據(jù)獲取和應用層決策控制命令的下達 應用 層的上位機可根據(jù)溫濕度數(shù)據(jù)繪制曲線實時顯示 也可以采 取某些智能算法進一步處理 如數(shù)據(jù)融合 再作趨勢分析 調(diào)整報警參數(shù)等 對于超出警戒范圍情況 研判下達控制命 令給感知層的單片機控制執(zhí)行機構(gòu)采取相應措施 圖1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 3 系統(tǒng)硬件設計 系統(tǒng)工作流程如下 傳感器節(jié)點采集溫濕度信息 并通 過串口將數(shù)據(jù)傳輸給單片機進行處理 多個節(jié)點共同完成不 同區(qū)域的溫濕度數(shù)據(jù)采集 單片機驅(qū)動液晶屏實時顯示 也 可以通過無線網(wǎng)絡進行信息傳遞 借助于無線通信模塊 將 溫濕度信息上傳給上位機 上位機可以對溫濕度數(shù)據(jù)進行圖 形顯示 也可以做趨勢分析 報警控制等 3 1 單片機選擇 單片機在本系統(tǒng)中主要承擔接收溫濕度傳感器采集的信 息 同時輸出控制液晶模塊顯示 還可以驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)對溫濕 度進行控制 考慮到系統(tǒng)能耗 盡量選擇低功耗高性能的主流 單片機 如宏晶公司生產(chǎn)的廣泛應用的STC89C52單片機 德 州儀器公司生產(chǎn)的超低功耗的MSP430FXX系列單片機等 安徽商貿(mào)職業(yè)技術(shù)學院電子信息工程系 侯秀麗 基于物聯(lián)網(wǎng)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng) 127 ELECTRONICS WORLD 技 術(shù) 交 流 對功耗要求不高情況下推薦使用價格低廉的STC89C52單片 機 平時進行單片機課程教學示范或指導學生完成畢業(yè)設計等 任務時基本都用STC89C52 使用proteus軟件設計電源電路 復 位電路 搭建最小應用系統(tǒng) MSP430FXX系列單片機是十六位 混合型的 片內(nèi)外資源更豐富 代碼執(zhí)行效率高 功耗更低 功能更強大 應用也比較成熟 二零零五年全國大學生電子設 計大賽就指定使用MSP430系列單片機 當對功耗要求嚴格時推 薦選擇MSP430F2系列單片機作為控制模塊 3 2 無線通信模塊選擇 無線通信模塊是連接物聯(lián)網(wǎng)感知層和網(wǎng)絡層的關鍵環(huán) 節(jié) 所有物聯(lián)網(wǎng)感知層終端產(chǎn)生的設備數(shù)據(jù)需要通過無線通 信模塊匯聚至網(wǎng)絡層 進而通過云端管理平臺對設備進行遠 程管控 無線通信模塊按照通信技術(shù)不同 可分成蜂窩通信 2G 3G 4G NB IOT等 和非蜂窩通信 WIFI ZigBee LoRa等 模塊兩大類 每種技術(shù)都有各自的特點 在設計溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡層時 考慮到要實時傳遞 大量信息 如果采用蜂窩通信模塊需要接入運營商網(wǎng)絡 會 產(chǎn)生一定的費用 因此優(yōu)先選擇非蜂窩通信方式組網(wǎng) 作為 LPWAN 低功耗廣覆蓋物聯(lián)網(wǎng) 三種技術(shù)中的一種 LoRa 具備功耗低 傳輸距離廣 信號穿透性強 靈敏度高 成本 低廉等特點 相較于ZigBee等傳統(tǒng)小無線技術(shù)而言具有很明 顯的優(yōu)勢 越來越受青睞 LoRa是由美國升特公司在2013年發(fā)布的基于擴頻技 術(shù)的遠距離通信調(diào)制技術(shù) 它融合了數(shù)字擴頻 數(shù)字信號 處理和前向糾錯編碼 有效保證無線通訊穩(wěn)定可靠和抗 干擾能力 可實現(xiàn)超遠距離無線傳輸 改變了以往關于 傳輸距離和功耗之間的矛盾 目前主要在全球免費頻段 433 470 868 915MHz 運行 LoRa網(wǎng)絡架構(gòu)比較簡單 一 般是終端傳感器節(jié)點采集數(shù)據(jù) 然后通過控制器把數(shù)據(jù)發(fā)送 給LoRa網(wǎng)關基站 再匯總到網(wǎng)絡服務器 最終送到應用服務 器 本系統(tǒng)選擇了LoRa模塊實現(xiàn)無線通信 3 3 液晶顯示模塊 液晶顯示模塊具有體積小 功耗低 顯示內(nèi)容豐富 超薄 輕巧等優(yōu)點 得到越來越廣泛的應用 它是以LCD液晶屏為核 心 配合一定的控制電路 以達到方便使用顯示組件的目的 根據(jù)LCD液晶屏可顯示內(nèi)容的不同 液晶顯示模塊可以分為數(shù) 顯液晶模塊 液晶點陣字符模塊 點陣圖形液晶模塊三種 平 時單片機課程教學過程中 字符型1602液晶模塊用的比較多 它有16個管腳 每行能顯示16個字符 共2行 采用 5V電源供 電 外圍電路配置簡單 價格便宜 具有很高的性價比 編程 簡單 能滿足一般的顯示字母和數(shù)字等要求 如果顯示文字內(nèi) 容比較多或者需要顯示圖形等 就需要使用功能強一點的12864 圖形液晶模塊 近年來 又出現(xiàn)了更輕薄 可彎折的OLED顯 示屏 一種新穎的顯示技術(shù) 但價格相對貴些 4 系統(tǒng)軟件設計 4 1 系統(tǒng)算法流程圖 本系統(tǒng)底層單片機程序用C語言編寫 使用Keil軟件編譯 并生成HEX文件 并通過串口燒寫軟 件將HEX文件燒入ROM中 單片機通 過串口讀取溫濕度傳感器信息 系統(tǒng)開始 啟動LoRa模塊 找到 信號后復位單片機 檢測數(shù)據(jù)是否初 始化成功 LED燈亮代表串口初始化 成功 溫濕度傳感器將檢測到的溫濕 度值按照一定的波特率傳給單片機 再通過LORA模塊按照一定格式上傳 至主機 溫濕度數(shù)據(jù)通過液晶屏顯 示 4 2 上位機監(jiān)控系統(tǒng)設計 實際應用過程中 上位機可使用 圖形化語言如LabVIEW設計用戶界 面 根據(jù)實際需要開發(fā)個性化的監(jiān)控 系統(tǒng) 可包含顯示模塊 控制模塊 參數(shù)設定模塊 報警模塊等部分 以 圖形曲線方式顯示溫濕度變化 進行 趨勢分析 參數(shù)調(diào)整 報警提示等 也可以下達控制指令 驅(qū)動底層執(zhí)行 機構(gòu)完成加熱 制冷 加濕 除濕等任 務 4 3 系統(tǒng)測試 圖2 系統(tǒng)程序流程圖 系統(tǒng)制作完成后必須進行調(diào)試 系統(tǒng)調(diào)試包括硬件測試和軟件測 試 硬件測試主要是排除系統(tǒng)硬件電路故障 軟件測試是利用開發(fā)工具 進行在線仿真測試 發(fā)現(xiàn)和解決程序錯誤和缺陷 提高穩(wěn)健性 通過調(diào) 試不僅可以檢查系統(tǒng)是否可以正常運行 而且可以發(fā)現(xiàn)軟件問題 進行 完善 進而提高系統(tǒng)整體性能 本系統(tǒng)測試包括LORA網(wǎng)絡設計與測試及單片機驅(qū)動數(shù)顯模塊測試 經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)可以正常運行 網(wǎng)絡穩(wěn)定 溫濕度信息能夠準確傳 遞 顯示模塊能清晰顯示 滿足設計要求 5 結(jié)語 本文研究了基于物聯(lián)網(wǎng)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng) 感知層通過單片機接 收溫濕度傳感器采集的信息并控制液晶屏顯示 網(wǎng)絡層采用無線傳輸方 式 應用層上位機通過開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng) 能夠?qū)貪穸葦?shù)據(jù)進行圖形顯 示 趨勢分析 參數(shù)調(diào)整 報警等 適用于農(nóng)業(yè)溫室大棚 工業(yè)生產(chǎn)中 的大型廠房等對溫濕度進行控制的場合 基金項目 安徽省高校自科重點項目 表面肌電信號模式識別與人 機接口技術(shù)研究 編號KJ2018A0723 和 溫室環(huán)境監(jiān)測無線傳感網(wǎng)絡 數(shù)據(jù)融合技術(shù)研究 kj2015A413 研究成果 作者簡介 侯秀麗 1982 女 吉林扶余人 碩士 講師 研究 方向 智能控制