基于物聯(lián)網(wǎng)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng).pdf

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(chǎng)合都需要精準(zhǔn)測(cè)量與控 制 本文設(shè)計(jì)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(jī)控制數(shù)字式溫濕度 傳感器采集信息 驅(qū)動(dòng)液晶屏顯示 同時(shí) 通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸給上位機(jī)進(jìn)行溫濕度數(shù) 據(jù)的圖形顯示 記憶存儲(chǔ)與趨勢(shì)分析 報(bào) 警參數(shù)調(diào)整等 適用于溫室大棚 車間廠 房等對(duì)溫濕度進(jìn)行控制的場(chǎng)合 1 溫濕度檢測(cè)方案 1 1 溫濕度測(cè)量的意義 無(wú)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(hù) 倉(cāng)儲(chǔ)物流等諸多場(chǎng)合 不僅要測(cè)量溫濕度 還要對(duì)溫濕度實(shí)現(xiàn)控 制 使其保持在一定的合理范圍內(nèi) 溫度能反應(yīng)物體的冷熱程度 其 實(shí)質(zhì)是物體分子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度 根 據(jù)熱力學(xué)定律 可以通過(guò)物體隨溫度變 化的某些特性來(lái)對(duì)溫度實(shí)現(xiàn)測(cè)量 根據(jù) 測(cè)量時(shí)是否與被測(cè)物體接觸 可把測(cè)溫 方法分為接觸式和非接觸式測(cè)溫兩種 兩種方法各有所長(zhǎng) 前者直觀可靠 但 速度稍慢 后者方便快捷 但有一定的 檢測(cè)誤差 實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)具體情況 靈活選擇 我國(guó)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(yīng)空氣的干燥程 度 可以用絕對(duì)濕度 相對(duì)濕度 露點(diǎn) 等表示 其中 相對(duì)濕度能給出大氣的 潮濕程度 沒(méi)有量綱 使用方便 因此 常用相對(duì)濕度 RH 來(lái)表示濕度 1 2 溫濕度測(cè)量傳感器的選擇 常用的測(cè)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(hào)形式不同 主要分為模 擬式和數(shù)字式 模擬式測(cè)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(hào) 需要經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù) 字信號(hào)以后 才可以被單片機(jī)等控制器應(yīng) 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(jī)接口 所以獲得了廣泛應(yīng)用 實(shí)現(xiàn)濕度測(cè)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(dǎo)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(diǎn)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(dāng)環(huán)境濕 度發(fā)生改變時(shí) 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(duì)濕度成正比 濕敏電容靈 敏度高 互換性好 響應(yīng)速度快 滯后小 易于實(shí)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(shí)需要測(cè)量溫度和濕度的應(yīng)用場(chǎng)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(guó)產(chǎn)單線制的DHTxx系列 內(nèi)部用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻測(cè) 溫和濕敏電容測(cè)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(yīng)用成 熟 抗干擾能力更強(qiáng) 對(duì)穩(wěn)定性和精度要求高的場(chǎng)合建議選 擇SHT系列溫濕度傳感器 2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(jī)模塊 溫濕度采集模塊 液晶屏顯示模塊 無(wú)線通信模 塊 上位機(jī)以及底層執(zhí)行機(jī)構(gòu)等 按照物聯(lián)網(wǎng)的三層體系架 構(gòu) 單片機(jī)模塊 溫濕度傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等屬于感知層 傳輸層是建立在無(wú)線傳感網(wǎng) 局域網(wǎng) 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的 實(shí)現(xiàn)對(duì)感知層數(shù)據(jù)獲取和應(yīng)用層決策控制命令的下達(dá) 應(yīng)用 層的上位機(jī)可根據(jù)溫濕度數(shù)據(jù)繪制曲線實(shí)時(shí)顯示 也可以采 取某些智能算法進(jìn)一步處理 如數(shù)據(jù)融合 再作趨勢(shì)分析 調(diào)整報(bào)警參數(shù)等 對(duì)于超出警戒范圍情況 研判下達(dá)控制命 令給感知層的單片機(jī)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)采取相應(yīng)措施 圖1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)工作流程如下 傳感器節(jié)點(diǎn)采集溫濕度信息 并通 過(guò)串口將數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)進(jìn)行處理 多個(gè)節(jié)點(diǎn)共同完成不 同區(qū)域的溫濕度數(shù)據(jù)采集 單片機(jī)驅(qū)動(dòng)液晶屏實(shí)時(shí)顯示 也 可以通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳遞 借助于無(wú)線通信模塊 將 溫濕度信息上傳給上位機(jī) 上位機(jī)可以對(duì)溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行圖 形顯示 也可以做趨勢(shì)分析 報(bào)警控制等 3 1 單片機(jī)選擇 單片機(jī)在本系統(tǒng)中主要承擔(dān)接收溫濕度傳感器采集的信 息 同時(shí)輸出控制液晶模塊顯示 還可以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)溫濕 度進(jìn)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(jī) 如宏晶公司生產(chǎn)的廣泛應(yīng)用的STC89C52單片機(jī) 德 州儀器公司生產(chǎn)的超低功耗的MSP430FXX系列單片機(jī)等 安徽商貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)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(duì)功耗要求不高情況下推薦使用價(jià)格低廉的STC89C52單片 機(jī) 平時(shí)進(jìn)行單片機(jī)課程教學(xué)示范或指導(dǎo)學(xué)生完成畢業(yè)設(shè)計(jì)等 任務(wù)時(shí)基本都用STC89C52 使用proteus軟件設(shè)計(jì)電源電路 復(fù) 位電路 搭建最小應(yīng)用系統(tǒng) MSP430FXX系列單片機(jī)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(qiáng)大 應(yīng)用也比較成熟 二零零五年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè) 計(jì)大賽就指定使用MSP430系列單片機(jī) 當(dāng)對(duì)功耗要求嚴(yán)格時(shí)推 薦選擇MSP430F2系列單片機(jī)作為控制模塊 3 2 無(wú)線通信模塊選擇 無(wú)線通信模塊是連接物聯(lián)網(wǎng)感知層和網(wǎng)絡(luò)層的關(guān)鍵環(huán) 節(jié) 所有物聯(lián)網(wǎng)感知層終端產(chǎn)生的設(shè)備數(shù)據(jù)需要通過(guò)無(wú)線通 信模塊匯聚至網(wǎng)絡(luò)層 進(jìn)而通過(guò)云端管理平臺(tái)對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn) 程管控 無(wú)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(diǎn) 在設(shè)計(jì)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層時(shí) 考慮到要實(shí)時(shí)傳遞 大量信息 如果采用蜂窩通信模塊需要接入運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò) 會(huì) 產(chǎn)生一定的費(fèi)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(hào)穿透性強(qiáng) 靈敏度高 成本 低廉等特點(diǎn) 相較于ZigBee等傳統(tǒng)小無(wú)線技術(shù)而言具有很明 顯的優(yōu)勢(shì) 越來(lái)越受青睞 LoRa是由美國(guó)升特公司在2013年發(fā)布的基于擴(kuò)頻技 術(shù)的遠(yuǎn)距離通信調(diào)制技術(shù) 它融合了數(shù)字?jǐn)U頻 數(shù)字信號(hào) 處理和前向糾錯(cuò)編碼 有效保證無(wú)線通訊穩(wěn)定可靠和抗 干擾能力 可實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸 改變了以往關(guān)于 傳輸距離和功耗之間的矛盾 目前主要在全球免費(fèi)頻段 433 470 868 915MHz 運(yùn)行 LoRa網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)比較簡(jiǎn)單 一 般是終端傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù) 然后通過(guò)控制器把數(shù)據(jù)發(fā)送 給LoRa網(wǎng)關(guān)基站 再匯總到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器 最終送到應(yīng)用服務(wù) 器 本系統(tǒng)選擇了LoRa模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)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(diǎn) 得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用 它是以LCD液晶屏為核 心 配合一定的控制電路 以達(dá)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(diǎn)陣字符模塊 點(diǎn)陣圖形液晶模塊三種 平 時(shí)單片機(jī)課程教學(xué)過(guò)程中 字符型1602液晶模塊用的比較多 它有16個(gè)管腳 每行能顯示16個(gè)字符 共2行 采用 5V電源供 電 外圍電路配置簡(jiǎn)單 價(jià)格便宜 具有很高的性價(jià)比 編程 簡(jiǎn)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(qiáng)一點(diǎn)的12864 圖形液晶模塊 近年來(lái) 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(jià)格相對(duì)貴些 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 4 1 系統(tǒng)算法流程圖 本系統(tǒng)底層單片機(jī)程序用C語(yǔ)言編寫 使用Keil軟件編譯 并生成HEX文件 并通過(guò)串口燒寫軟 件將HEX文件燒入ROM中 單片機(jī)通 過(guò)串口讀取溫濕度傳感器信息 系統(tǒng)開(kāi)始 啟動(dòng)LoRa模塊 找到 信號(hào)后復(fù)位單片機(jī) 檢測(cè)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(cè)到的溫濕 度值按照一定的波特率傳給單片機(jī) 再通過(guò)LORA模塊按照一定格式上傳 至主機(jī) 溫濕度數(shù)據(jù)通過(guò)液晶屏顯 示 4 2 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中 上位機(jī)可使用 圖形化語(yǔ)言如LabVIEW設(shè)計(jì)用戶界 面 根據(jù)實(shí)際需要開(kāi)發(fā)個(gè)性化的監(jiān)控 系統(tǒng) 可包含顯示模塊 控制模塊 參數(shù)設(shè)定模塊 報(bào)警模塊等部分 以 圖形曲線方式顯示溫濕度變化 進(jìn)行 趨勢(shì)分析 參數(shù)調(diào)整 報(bào)警提示等 也可以下達(dá)控制指令 驅(qū)動(dòng)底層執(zhí)行 機(jī)構(gòu)完成加熱 制冷 加濕 除濕等任 務(wù) 4 3 系統(tǒng)測(cè)試 圖2 系統(tǒng)程序流程圖 系統(tǒng)制作完成后必須進(jìn)行調(diào)試 系統(tǒng)調(diào)試包括硬件測(cè)試和軟件測(cè) 試 硬件測(cè)試主要是排除系統(tǒng)硬件電路故障 軟件測(cè)試是利用開(kāi)發(fā)工具 進(jìn)行在線仿真測(cè)試 發(fā)現(xiàn)和解決程序錯(cuò)誤和缺陷 提高穩(wěn)健性 通過(guò)調(diào) 試不僅可以檢查系統(tǒng)是否可以正常運(yùn)行 而且可以發(fā)現(xiàn)軟件問(wèn)題 進(jìn)行 完善 進(jìn)而提高系統(tǒng)整體性能 本系統(tǒng)測(cè)試包括LORA網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與測(cè)試及單片機(jī)驅(qū)動(dòng)數(shù)顯模塊測(cè)試 經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)可以正常運(yùn)行 網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定 溫濕度信息能夠準(zhǔn)確傳 遞 顯示模塊能清晰顯示 滿足設(shè)計(jì)要求 5 結(jié)語(yǔ) 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(guò)單片機(jī)接 收溫濕度傳感器采集的信息并控制液晶屏顯示 網(wǎng)絡(luò)層采用無(wú)線傳輸方 式 應(yīng)用層上位機(jī)通過(guò)開(kāi)發(fā)監(jiān)控系統(tǒng) 能夠?qū)貪穸葦?shù)據(jù)進(jìn)行圖形顯 示 趨勢(shì)分析 參數(shù)調(diào)整 報(bào)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(duì)溫濕度進(jìn)行控制的場(chǎng)合 基金項(xiàng)目 安徽省高校自科重點(diǎn)項(xiàng)目 表面肌電信號(hào)模式識(shí)別與人 機(jī)接口技術(shù)研究 編號(hào)KJ2018A0723 和 溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò) 數(shù)據(jù)融合技術(shù)研究 kj2015A413 研究成果 作者簡(jiǎn)介 侯秀麗 1982 女 吉林扶余人 碩士 講師 研究 方向 智能控制