基于互聯網的環境與電器監控系統的設計

楊虹 胡小龍 宋俊霖 王燦 鐘郭福

【摘要】介紹了一種基于互聯網的環境檢測與電器控制系統的工作原理以及部分軟硬件設計方案。該系統以STC89C52RC單片機作為微控制器，結合PC做為上位機和服務器來與互聯網進行對接，用戶可通過網頁遠程來實時查看環境狀態以及對電器進行控制。該系統具有成本低、操作方便、擴充性高的特點，可以廣泛應用在工業監控、智能家居等各個方面。

【關鍵詞】單片機;智能家居;互聯網;遠程控制;物聯網

Abstract：The principles of an Internet-based Environment Monitoring and Electrical Equipment Controlling System accompanied with software solutions was introduced in this article.The system used STC89C52RC as its MCU，set a PC as host computer and server for connecting with Internet.Users can check the environmental status and control electrical equipments by web application remotely.This system has an advantage in costs.Its easy-to-use and highly expandable，which can be widely used in monitoring system，intelligent home，etc.

Key words：MCU;intelligent home;Internet;Remote control;Internet of thing

1.引言

在當今信息技術高速發展的時代，人們正在探索越來越便捷的信息傳遞方式，互聯網的出現，極大地方便了信息的傳遞。然而，人們在享受科技帶來各種便利的同時，也有著其他許多困惑。如今，環境惡化問題受到了人們的廣泛關注，要治理環境，首先就要對周圍的環境有一個充分的了解，就需要有能對環境信息進行采集與處理的設備。

基于以上原因，一種基于互聯網的遠程環境檢測與電器控制系統應運而生。該系統利用通訊技術、電力自動化技術、計算機技術將一系列傳感器實時監測環境并上傳環境參數到服務器，用戶可通過互聯網遠程訪問系統遠程采集到的信息，也可發送命令，控制遠端電器運行，是對互聯網功能的一項拓展，也是從互聯網發展到物聯網邁出的第一步。該系統使物對人的關系不再是被動的，是具有能動性智能化的交互，提供全方位的信息交換功能，優化我們的生活生產方式，幫助我們有效地安排時間，節約能源，實現高效可靠的資源管理。該系統不僅能運用在工業環境監測方面，還能應用在智能家居領域，用戶可以通過互聯網，實時查看屋內的情況，并對屋內各終端進行控制。并且各傳感器一旦探測到異常，能夠及時向用戶發出警報，實現人和物的良好交互[1]。

2.硬件電路部分

該系統由單片機、外圍設備、上位機和服務器等部分組成，整個系統硬件結構及工作原理如圖1所示。

圖1 系統總體硬件結構及工作原理圖

2.1 單片機模塊

根據其結構形式和所采用的半導體工藝，單片機具有以下主要特點：

（1）性價比高;

（2）集成度高、體積小、可靠性高。由于單片機將各個功能部件集成在一塊芯片上，且內部采用總線結構，減少了各個芯片之間的連線，從而大大提高了單片機的可靠性與抗干擾能力;

（3）控制功能強。單片機中的指令系統中均有極豐富的轉移指令、I/O接口的邏輯操作及位處理功能;

（4）低功耗、低電壓，便于生產便攜式產品;

（5）外部總線增加了串行總線方式，進一步縮小了體積，簡化了結構;

（6）單片機的系統擴展和系統配置較典型、規范，易于構成各種規模的應用系統。

該系統使用STC89C52RC作為微控制器。STC89C52RC是STC公司生產的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K可編程Flash存儲器。它使用經典的MCS-51內核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統51單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案。基于以上特點，該款單片機參考技術資料齊全，成為了許多單片機使用者的首選。

2.2 電器控制與環境采集模塊

電器控制主要由繼電器組成，單片機接受到來自用戶的特定信號之后，通過自身的5v電壓來控制220V市電的開斷，以實現電器工作狀態的控制;該方式設計簡單，可行性高。

環境采集主要由一系列傳感器組成，可根據實際情況選用，課題組利用DHT11傳感器采集溫度濕度數據、采用MQ-5可燃氣體傳感器采集天然氣或者液化石油氣的濃度、 甲醛氣體濃度使用CH20/S-10傳感器采集、粉塵顆粒信息用GP2Y1010AU0F 傳感器等，一系列模塊與單片機IO口連接通過編程實現環境數據的采集與處理。以DHT11溫濕度傳感器為例，其電路連接如圖2所示。

圖2 DHT11溫濕度傳感器電路連接圖

圖3 12864顯示屏電路連接圖

2.3 人機交互模塊

該模塊主要基于12864液晶和矩陣按鍵來實現，12864液晶的屏顯成本相對較低，適用于各類儀器，小型設備的顯示領域，通過編程它可以提供基本的人機界面，用戶可以通過液晶屏幕實時查看顯示采集到的環境信息，通過按鍵可以對系統進行相關設置操作。12864液晶連接電路如圖3所示。

2.4 串口通信模塊

單片機主控與PC之間通過USB口進行數據通信，由于STC89C52單片機只支持串口通信，故系統還需要使用CH340T芯片來實現串口轉USB的功能，以CH340T為主控的串口轉USB電路如圖4所示。

2.5 nRF24L01+無線通信模塊[3]

nRF24L01+是一款工作在2.4～2.5GHz的世界通用ISM頻段的單片無線收發器芯片。無線收發器包括：頻率發生器、增強型SchockBurst模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調制解調器。輸出功率、頻道選擇和協議設置可以通過SPI口設置。具有2Mbps的傳輸速率、僅22uA的等待模式電流消耗、多頻點、多信道、10m（PCB天線）有效通信距離的特點，其電路連接如圖5所示。

3.軟件程序部分

3.1 單片機程序模塊

采用KEIL編程軟件對單片機進行編程以實現環境數據采集、處理及傳輸以及繼電器的控制功能[2]。該模塊包括UI設計、環境數據采集、數據通信三個部分，系統主要工作流程如圖6和圖7所示。

圖6 系統軟件工作流程圖

圖7 單片機報警流程圖

3.2 nRF24L01+通信模塊[4]

圖8 nRF24L01+的主要工作模式

nRF24L01相關工作時序如圖8、圖9和圖10所示。本系統只涉及前三個工作模式。主要的工作原理：發射數據時，首先將nRF24L01+配置為發射模式，接著把地址TX_ADDR和數據TX_PLD按照時序由SPI口寫入nRF24L01+緩存區，TX_PLD必須在CSN為低時連續寫入，而TX_ADDR在發射時寫入一次即可，然后CE置為高電平并保持至少10μs，延遲130μs后發射數據;若自動應答開啟，那么nRF24L01在發射數據后立即進入接收模式，接收應答信號。如果收到應答，則認為此次通信成功，TX_DS置高，同時TX_PLD從發送堆棧中清除;若未收到應答，則自動重新發射該數據（自動重發已開啟），若重發次數（ARC_CNT）達到上限，MAX_RT置高，TX_PLD不會被清除;MAX_RT或TX_DS置高時，使IRQ變低，以便通知MCU。最后發射成功時，若CE為低，則nRF24L01進入待機模式1;若發送堆棧中有數據且CE為高，則進入下一次發射;若發送堆棧中無數據且CE為高，則進入待機模式2。

接收數據時，首先將nRF24L01+配置為接收模式，接著延遲130μs進入接收狀態等待數據的到來。當接收方檢測到有效的地址和CRC時，就將數據包存儲在接收堆棧中，同時中斷標志位RX_DR置高，IRQ變低，以便通知MCU去取數據。若此時自動應答開啟，接收方則同時進入發射狀態回傳應答信號。最后接收成功時，若CE變低，則nRF24L01+進入空閑模式1。

3.3 PC端軟件模塊

上位機與服務器部分原理及流程如圖11所示。

上位機是對單片機操作的中樞部分，該部分使用C++的boost asio庫去實現;boost asio是一套高性能的I/O流處理庫，用現代的方法為開發者提供了一個異步模型。該部分主要對單片機的數據進行處理，綜合后合并成結果表，用網頁顯示出來給用戶瀏覽，用戶可以通過服務器給上位機發送指令，讓上位機對單片機進行操控.實現對家居設備的操作。

圖11 上位機與服務器流程圖

服務器是用戶與單片機直接交互的接口，其使用WAMP集成開發環境與PHP語言構成，前端界面由js與css實現。通過對上位機傳來的數據的整理顯示，實現對結果的統籌預覽，并提供操作界面，讓用戶可以通過對服務器發送指令去操控單片機。

4.結束語

至此，一個基本的互聯網遠程環境監測控制系統搭建完成，但功能還相對單一，故本項目組還對該系統設計提出以下方案，以便日后改進：（1）鑒于目前該系統在電器控制方面僅僅只是采用控制繼電器的開斷來簡單控制電器，因此還可以向控制復雜電器方面發展，例如可以通過在單片機上加裝紅外發射管來模擬空調的遙控板實現對空調的遠程操作;可以在門上加裝傳感器以檢測門的狀態，確保室內安全等等;（2）現如今如小米、迅雷、360、百度、騰訊、華為等大型互聯網公司都推出了智能路由器。所謂智能路由，比于普通路由器，其像個人電腦一樣，具有獨立的操作系統，可以根據用戶的需求進行功能的擴展和開發。在未來的智能家居中可以充當智能控制中樞的角色。通過嵌入式開發，我們可以直接在路由器系統中開發上位機和控制程序來替代本項目中電腦的角色。相比電腦，路由器有功耗小，幾乎永不離線的優勢。相信在以后的智能家居中，路由器會發揮巨大的作用。

該系統是我校大學生創新性實驗項目的部分研制內容，現處于初步研制階段，能完成對遠端環境的信息查看與簡單電器控制，與實際商用還有較大差距。隨著互聯網更加深入我們的生活，人們已經不僅局限于對網上虛擬的數據進行訪問操作，在未來，更多的智能云設備將進入我們的生活當中，該項目正是基于上述理念的成果。

參考文獻

[1]王平.780MHz物聯網開發平臺的設計與實現[J].重慶郵電大學學報，2012，24.

[2]郭天祥.新概念51單片機C語言教程[M].電子工業出版社，2009，1.

[3]NORDIC semiconductor，nRF24L01+Product Specification.

[4]德普施科技有限公司.nRF24L01無線通信模塊使用手冊.

基金項目：重慶郵電大學大學生創新創業訓練項目（編號：19）。