基于物联网的温湿度监控系统.pdf

126 ELECTRONICS WORLD 技 术 交 流 温度和湿度是工农业生产中非常重 要的参数 许多场合都需要精准测量与控 制 本文设计了一款基于物联网的温湿度 监控系统 采用单片机控制数字式温湿度 传感器采集信息 驱动液晶屏显示 同时 通过无线网络传输给上位机进行温湿度数 据的图形显示 记忆存储与趋势分析 报 警参数调整等 适用于温室大棚 车间厂 房等对温湿度进行控制的场合 1 温湿度检测方案 1 1 温湿度测量的意义 无论是在工农业生产 还是在日常生 活 温度和湿度都是重要的参数 特别是 在纺织印染 温室大棚 水产养殖 医疗 器械 文物保护 仓储物流等诸多场合 不仅要测量温湿度 还要对温湿度实现控 制 使其保持在一定的合理范围内 温度能反应物体的冷热程度 其 实质是物体分子热运动的剧烈程度 根 据热力学定律 可以通过物体随温度变 化的某些特性来对温度实现测量 根据 测量时是否与被测物体接触 可把测温 方法分为接触式和非接触式测温两种 两种方法各有所长 前者直观可靠 但 速度稍慢 后者方便快捷 但有一定的 检测误差 实际应用中可根据具体情况 灵活选择 我国温度常用单位是 湿 度即空气的干湿程度 通常指的是大气 中水蒸气的含量 能反应空气的干燥程 度 可以用绝对湿度 相对湿度 露点 等表示 其中 相对湿度能给出大气的 潮湿程度 没有量纲 使用方便 因此 常用相对湿度 RH 来表示湿度 1 2 温湿度测量传感器的选择 常用的测温传感器根据原理不同 有电阻式 电容式 热电式 红外式等多 种 根据输出信号形式不同 主要分为模 拟式和数字式 模拟式测温传感器如金属 热电阻 热电偶等 通常输出的是连续的 电压信号 需要经过模数转换器转换成数 字信号以后 才可以被单片机等控制器应 用 而数字式温度传感器由于内部集成了 模数转换器 可以直接输出数字量 方便 与单片机接口 所以获得了广泛应用 实现湿度测量的传感器通常称为湿敏 元件 主要有电阻式 电容式两大类 湿 敏电阻是利用湿敏材料吸收空气中的水分 而导致本身电阻值发生变化这一原理而制成的 如氯化锂湿敏 电阻 其优点是灵敏度高 但线性度和产品互换性差 湿敏 电容一般是用聚苯乙烯等高分子薄膜电容制成的 当环境湿 度发生改变时 湿敏电容的介电常数发生变化 使其电容量 也发生变化 其电容变化量与相对湿度成正比 湿敏电容灵 敏度高 互换性好 响应速度快 滞后小 易于实现小型化 和集成化 但精度一般比湿敏电阻要低一些 在同时需要测量温度和湿度的应用场合 可以优先选 择温湿度一体化传感器 既节省空间 又能降低成本 比如 国产单线制的DHTxx系列 内部用负温度系数热敏电阻测 温和湿敏电容测湿度 瑞士Sensirion公司生产的二线制的 SHTxx系列 也可以使用AM2301等 由于SHT系列应用成 熟 抗干扰能力更强 对稳定性和精度要求高的场合建议选 择SHT系列温湿度传感器 2 系统结构设计 温湿度监控系统整体结构如图1所示 系统主要包括单 片机模块 温湿度采集模块 液晶屏显示模块 无线通信模 块 上位机以及底层执行机构等 按照物联网的三层体系架 构 单片机模块 温湿度传感器和执行机构等属于感知层 传输层是建立在无线传感网 局域网 移动网络基础上的 实现对感知层数据获取和应用层决策控制命令的下达 应用 层的上位机可根据温湿度数据绘制曲线实时显示 也可以采 取某些智能算法进一步处理 如数据融合 再作趋势分析 调整报警参数等 对于超出警戒范围情况 研判下达控制命 令给感知层的单片机控制执行机构采取相应措施 图1 监控系统结构图 3 系统硬件设计 系统工作流程如下 传感器节点采集温湿度信息 并通 过串口将数据传输给单片机进行处理 多个节点共同完成不 同区域的温湿度数据采集 单片机驱动液晶屏实时显示 也 可以通过无线网络进行信息传递 借助于无线通信模块 将 温湿度信息上传给上位机 上位机可以对温湿度数据进行图 形显示 也可以做趋势分析 报警控制等 3 1 单片机选择 单片机在本系统中主要承担接收温湿度传感器采集的信 息 同时输出控制液晶模块显示 还可以驱动执行机构对温湿 度进行控制 考虑到系统能耗 尽量选择低功耗高性能的主流 单片机 如宏晶公司生产的广泛应用的STC89C52单片机 德 州仪器公司生产的超低功耗的MSP430FXX系列单片机等 安徽商贸职业技术学院电子信息工程系 侯秀丽 基于物联网的温湿度监控系统 127 ELECTRONICS WORLD 技 术 交 流 对功耗要求不高情况下推荐使用价格低廉的STC89C52单片 机 平时进行单片机课程教学示范或指导学生完成毕业设计等 任务时基本都用STC89C52 使用proteus软件设计电源电路 复 位电路 搭建最小应用系统 MSP430FXX系列单片机是十六位 混合型的 片内外资源更丰富 代码执行效率高 功耗更低 功能更强大 应用也比较成熟 二零零五年全国大学生电子设 计大赛就指定使用MSP430系列单片机 当对功耗要求严格时推 荐选择MSP430F2系列单片机作为控制模块 3 2 无线通信模块选择 无线通信模块是连接物联网感知层和网络层的关键环 节 所有物联网感知层终端产生的设备数据需要通过无线通 信模块汇聚至网络层 进而通过云端管理平台对设备进行远 程管控 无线通信模块按照通信技术不同 可分成蜂窝通信 2G 3G 4G NB IOT等 和非蜂窝通信 WIFI ZigBee LoRa等 模块两大类 每种技术都有各自的特点 在设计温湿度监控系统的网络层时 考虑到要实时传递 大量信息 如果采用蜂窝通信模块需要接入运营商网络 会 产生一定的费用 因此优先选择非蜂窝通信方式组网 作为 LPWAN 低功耗广覆盖物联网 三种技术中的一种 LoRa 具备功耗低 传输距离广 信号穿透性强 灵敏度高 成本 低廉等特点 相较于ZigBee等传统小无线技术而言具有很明 显的优势 越来越受青睐 LoRa是由美国升特公司在2013年发布的基于扩频技 术的远距离通信调制技术 它融合了数字扩频 数字信号 处理和前向纠错编码 有效保证无线通讯稳定可靠和抗 干扰能力 可实现超远距离无线传输 改变了以往关于 传输距离和功耗之间的矛盾 目前主要在全球免费频段 433 470 868 915MHz 运行 LoRa网络架构比较简单 一 般是终端传感器节点采集数据 然后通过控制器把数据发送 给LoRa网关基站 再汇总到网络服务器 最终送到应用服务 器 本系统选择了LoRa模块实现无线通信 3 3 液晶显示模块 液晶显示模块具有体积小 功耗低 显示内容丰富 超薄 轻巧等优点 得到越来越广泛的应用 它是以LCD液晶屏为核 心 配合一定的控制电路 以达到方便使用显示组件的目的 根据LCD液晶屏可显示内容的不同 液晶显示模块可以分为数 显液晶模块 液晶点阵字符模块 点阵图形液晶模块三种 平 时单片机课程教学过程中 字符型1602液晶模块用的比较多 它有16个管脚 每行能显示16个字符 共2行 采用 5V电源供 电 外围电路配置简单 价格便宜 具有很高的性价比 编程 简单 能满足一般的显示字母和数字等要求 如果显示文字内 容比较多或者需要显示图形等 就需要使用功能强一点的12864 图形液晶模块 近年来 又出现了更轻薄 可弯折的OLED显 示屏 一种新颖的显示技术 但价格相对贵些 4 系统软件设计 4 1 系统算法流程图 本系统底层单片机程序用C语言编写 使用Keil软件编译 并生成HEX文件 并通过串口烧写软 件将HEX文件烧入ROM中 单片机通 过串口读取温湿度传感器信息 系统开始 启动LoRa模块 找到 信号后复位单片机 检测数据是否初 始化成功 LED灯亮代表串口初始化 成功 温湿度传感器将检测到的温湿 度值按照一定的波特率传给单片机 再通过LORA模块按照一定格式上传 至主机 温湿度数据通过液晶屏显 示 4 2 上位机监控系统设计 实际应用过程中 上位机可使用 图形化语言如LabVIEW设计用户界 面 根据实际需要开发个性化的监控 系统 可包含显示模块 控制模块 参数设定模块 报警模块等部分 以 图形曲线方式显示温湿度变化 进行 趋势分析 参数调整 报警提示等 也可以下达控制指令 驱动底层执行 机构完成加热 制冷 加湿 除湿等任 务 4 3 系统测试 图2 系统程序流程图 系统制作完成后必须进行调试 系统调试包括硬件测试和软件测 试 硬件测试主要是排除系统硬件电路故障 软件测试是利用开发工具 进行在线仿真测试 发现和解决程序错误和缺陷 提高稳健性 通过调 试不仅可以检查系统是否可以正常运行 而且可以发现软件问题 进行 完善 进而提高系统整体性能 本系统测试包括LORA网络设计与测试及单片机驱动数显模块测试 经过测试发现系统可以正常运行 网络稳定 温湿度信息能够准确传 递 显示模块能清晰显示 满足设计要求 5 结语 本文研究了基于物联网的温湿度监控系统 感知层通过单片机接 收温湿度传感器采集的信息并控制液晶屏显示 网络层采用无线传输方 式 应用层上位机通过开发监控系统 能够对温湿度数据进行图形显 示 趋势分析 参数调整 报警等 适用于农业温室大棚 工业生产中 的大型厂房等对温湿度进行控制的场合 基金项目 安徽省高校自科重点项目 表面肌电信号模式识别与人 机接口技术研究 编号KJ2018A0723 和 温室环境监测无线传感网络 数据融合技术研究 kj2015A413 研究成果 作者简介 侯秀丽 1982 女 吉林扶余人 硕士 讲师 研究 方向 智能控制