基于物联网的温湿度监控系统设计

　　摘要：从环境温湿度检测、手机App 控制装置以及远程服务器端三个方面进行设计，装置采用嵌入式单片机 stm32芯片作为系统的核心组成环境温湿度测量系统，通过蓝牙或GSM模块把温度传感器的温度信息显示在以及手机App 界面上，手机App 客户端可实时监控数据和控制，利用蓝牙技术与远程服务器端无线通信，远程服务器端实现用户数据存储及操作。被测量环境温湿度变化剧烈时，信息能够及时传送到用戶App，超过设定阈值时报警，并按设定开启通风、空调或水帘模块工作。

　　关键词：嵌入式;蓝牙;智能App;GSM

　　1引言

　　随着农业现代化的发展，种植大棚的普及程度不断提高，为了使大棚中作物生长良好，环境温湿度的控制工作十分重要，传统农业大棚中一般都是在棚内悬挂温湿度计，通过温度计和湿度计显示数值，靠人工观察判断是否超出相关范围，再启动相关控制机构进行调节，耗费人力物力且不能实时精确控制。经过研究利用物联网技术完成远近程可实时观察的自动大棚温湿度控制系统。

　　本设计由数据显示模块、温湿度采集模块、无线传输模块三个模块组成。系统以STM32单片机为控制器，使用10位精度的DHT11温湿度传感器模块，将检测到的数据显示在OLED 液晶显示屏上，利用蓝牙串口传输的功能，将数据打包发送到开发的智能App 中，并成功实时显示温度信息，并且用户可以利用手机设置温度阈值，报警电路则采用GSM模块作为核心，当达到用户所设置的温度阈值时，GSM会进行拨打电路等措施通知用户，以保证环境的安全性。同时，也可以通过手机App 中的按钮来控制设备装置的启停[1]，使操作方式更加自动化、智能化。

　　2设计方案

　　本设计装置主要由 STM32单片机模块、GSM无线传输模块、温度信息采集模块及液晶屏显示电路模块组成，如图1所示。温度信息通过DHT11传感器进行温湿度度采集，将采集信息传递给核心处理器STM32，通过数据处理后对状态信息进行显示[2]。

　　2.1温湿度传感器模块

　　环境的温湿度由集成数字复合传感器DHT11采集，精度温度±2℃，量程0～50℃，湿度±5%RH，范围20-90%RH;具有体积小、响应快、抗干扰能力强、低功耗性价比高等优点，适合农作物温湿度范围测量。信号传输距离可达到20米以上，是各领域应用甚至最为严苛应用场合的最佳选择[3]。

　　集成传感器 DHT11与微处理器(Micro-controller Unit; MCU)通过单线制的串行接口相连接，采用单总线数据格式，系统集成简单。供电电压为3-5.5V，与MCU连接图如图2所示。电源引脚与底线间需接100nF 电容滤波。上电后需要等待1s 来稳定状态。 DHT11传感器收到MCU 的开始信号后，模式低功耗转换为高速，待开始信号结束后，向主机发送40bit 的响应信号，触发采集动作。DHT11传感器无开始信号则不主动进行温湿度采集[4]。

　　2.2 GSM无线传输模块

　　利用模块SIM800实现与手机的通信，SIM800模块供电电压为3.3V～5 V，控制指令为AT专用指令，与单片机之间通信方式为串口通信，SIM800与嵌入式单片机串口的 RX、TX 连接[5-7]，实现长远距离的信息传送，如图3所示为 GSM800模块与单片机通讯连接原理图。

　　2.3蓝牙模块

　　近距离与手机通信可以采用蓝牙无线数据传输，通过蓝牙模块HC-05来设计和实现的，模块通过串口通信协议与手机或者单片机进行网络相连，上电时，建立手机与蓝牙模块之间的联系， HC-05蓝牙模块支持主从机模式，本系统在进行设计时，采用了它的从机模式收发信息模式， HC-05蓝牙模块示意图如如图4所示。设计中为了更加简洁化，直接将蓝牙协议栈和无线通信相应的程序固定写死在蓝牙模块中，传输数据通过单片机与手机App 各自完成。

　　2.4人机交互系统设计

　　显示数据模块使用了0.96寸的 OLED屏幕对温度的实时数据进行显示。对比LCD显示屏幕，OLED显示模块具拥有更加低的功率驱动，且反应速度、刷新频率明显提高。

　　在整个显示屏幕中，在屏幕的第一行显示所设计的装置实时检测到的温度数据，在第二行，显示的是用户所设置的最高温度阈值，用户通过手机App 发送温度阈值，且显示出来，即当超过所设置的阈值时，报警电路就会启动，通知用户采取措施[8-9]。

　　所以当用户在使用本款装置时，既可以通过手机App 操作设备的启停，也可以像使用传统控制装置一样，使用实体按键对设备的开关进行控制。实现了用户的远程监控功能。

　　2.5 MCU选择

　　控制器模块核心采用法意半导体公司(ST)开发的32位嵌入式微控制器STM32F103ZET6，该款单片机以ARM Cortex-M 为内核，因为速度快、体积小、功耗低、内部资源及外设接口丰富;公司提供强大的库函数，编程起点低，性价比较高，应用广泛。

　　3程序设计

　　终端温湿度测量软件设计以C语言进行设计，以KEIL5作为软件编写平台，利用ST-Link V2仿真器将编译后的hex 文件烧录。下面侧重于对温湿度传感器模块采集，数据显示和GSM 模块对发送数据信息等部分重点介绍。

　　3.1采集程序设计

　　图5所示为温湿度数据采集流程图，在温度采集部分程序中，首先对串口进行初始化，系统会一直检测DS18B20是否寻找到，当查询不到信号时，程序会一直输出错误，直到检测到 DS18B20的信号存在时，才会进行下一步，当串口初始化完成后，将采集到的模拟量变为数字量，最后利用程序中所带的算法得出锅炉实时温度。

　　3.2 GSM通信模块程序设计

　　通过发生AT指令控制GSM 的启动，在装置正常运行时，系统则会自动发送当前的温度状态给用户。以及当温度超过所设置的阈值时，便自动进行拨打用户手机号码等措施，最大限度避免事故的发生。

　　农作物生长周期长，需要长时间检测环境温度，不仅仅需要投入大量的人力，耗费较多的费用，而且人工检查的速度较慢，不能做到锅炉温度实时监测已经预防，基于以上问题，我们设计了如下的一款装置。启动装置后，整个装置由12V 的移动电池供电，单片机首先需要执行主函数中编写的程序，使各个模块开始工作。温湿度传感器得到温湿度数据，并且保存数据，做到掉电不丢失数据，OLED显示屏显示出温度信息，并且保持数据信息实时动态刷新，数据通过蓝牙HC-05模块将数据显示在手机 App 界面上，且可以利用 App 控制其他设备的启停，做到更加智能化。当温度突然升高时，装置立即通过GSM

　　4测试与效果

　　我们将装置搭建完成后，实际地进行应用，完成所设计的所有功能，具体实物图如图7所示。

　　在此次设计中，装置能够稳定检测出农业大棚温湿度信息，并且能够将数據传输到智能App 界面以及显示屏上，当超过温湿度阈值时拨打使用者电话，很好地完成了设计要求与目的。

　　参考文献：

　　[1]周智. 基于物联网的空气能热泵机组控制系统的研究[D].武汉：武汉纺织大学，2020.

　　[2]胡成，杨林楠，郜鲁涛. 基于TE2440-Ⅱ的嵌入式温度采集驱动实现[J].计算机应用，2010，30(12)：3413-3415.

　　[3]徐鑫秀，赵士原. 基于DHT11传感器的机房温湿度控制系统设计[J].现代信息科技，2020，4(14)：57-59.

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文章名称： 基于物联网的温湿度监控系统设计

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