基于ARM的無線溫濕度監(jiān)測控制系統(tǒng)

摘 要：隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)模式的高速普及，人們對信息的傳輸速度要求越來越高，對生產(chǎn)環(huán)境安全性要求越來越嚴(yán)格。為此文章以基于ARM芯片，ESP8266無線WiFi傳感器和DHT11溫濕度傳感器設(shè)計出一套能對環(huán)境溫濕度參數(shù)進(jìn)行無線監(jiān)測控制的系統(tǒng)，從而滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要。

關(guān)鍵詞：ARM；溫濕度；WiFi通信；無線監(jiān)控

引言

隨著現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，人們對信息的傳輸速度要求越來越快，對產(chǎn)品品質(zhì)的要求越來越高。伴隨著物聯(lián)網(wǎng)[1]技術(shù)越來越成熟，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)都得到了廣泛應(yīng)用。其中，溫濕度監(jiān)測[2]在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、化工等行業(yè)都有很多應(yīng)用。在生產(chǎn)過程中，往往需要監(jiān)測生產(chǎn)現(xiàn)場的環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)，以便保證生產(chǎn)的高效率和安全性。

目前，生產(chǎn)過程中對于溫濕度的監(jiān)測大多數(shù)還處于現(xiàn)場監(jiān)測現(xiàn)場控制模式，需要生產(chǎn)人員在現(xiàn)場查看與操控，這對生產(chǎn)人員的安全性存在一定的隱患。為了保證安全性，需要對溫濕度參數(shù)進(jìn)行無線監(jiān)測與控制。為此，本系統(tǒng)通過STM32將生產(chǎn)現(xiàn)場采集到的溫濕度參數(shù)經(jīng)WiFi信息傳輸技術(shù)傳送到中控室進(jìn)行監(jiān)測和控制，極大程度地保證了生產(chǎn)人員的人身安全。同時采用的WiFi傳輸技術(shù)使得生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)化，信息的傳輸更加快速和便捷，提高了生產(chǎn)效率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

無線溫濕度監(jiān)測控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

本系統(tǒng)主要由3個部分構(gòu)成：溫濕度參數(shù)監(jiān)測控制設(shè)備、STM32和WiFi無線傳輸收發(fā)模塊。首先，由溫濕度監(jiān)測模塊監(jiān)測環(huán)境溫濕度參數(shù)，監(jiān)測到的溫濕度參數(shù)通過下位機STM32上的WiFi無線收發(fā)模塊進(jìn)行信息傳輸。然后，上位機上的WiFi無線收發(fā)模塊收到信息后，將信息傳遞到上位機并通過顯示屏將監(jiān)測到的溫濕度參數(shù)顯示出來。最后，將監(jiān)測到的溫濕度參數(shù)與設(shè)定的安全參數(shù)進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果發(fā)送相應(yīng)的指令通過WiFi模塊傳輸?shù)较挛粰C，對控制設(shè)備進(jìn)行控制。

2 硬件設(shè)計

硬件設(shè)計主要分為四大部分：ARM控制系統(tǒng)、溫濕度參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)、WiFi無線收發(fā)模塊及控制設(shè)備。本系統(tǒng)設(shè)備選定本著價格適宜、布線簡單及調(diào)試方便的基本原則對所需實現(xiàn)功能進(jìn)行選定。

2.1 ARM控制系統(tǒng)

STM32是構(gòu)成本系統(tǒng)的最核心部分，需要擔(dān)任對溫濕度傳感器進(jìn)行連接，信息獲取與處理，與WiFi模塊進(jìn)行通信，完成監(jiān)測參數(shù)的顯示等重要職責(zé)。

本系統(tǒng)采用ARM公司Cortex-M3[4]內(nèi)核的32位閃存微控制器，具體型號為STM32F103RCT6。該芯片時鐘頻率為72MHz，電壓范圍2.0～3.6V，可在環(huán)境溫度-40℃～80℃下正常工作。具有性能高、功耗低、實時應(yīng)用、價格低等優(yōu)點[5]。具體參數(shù)如表1所示。

2.2 溫濕度參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)

溫濕度參數(shù)的監(jiān)測是本系統(tǒng)的第一環(huán)節(jié)，選擇合適的溫濕度傳感器有利于對環(huán)境參數(shù)的準(zhǔn)確測量，適應(yīng)不同的監(jiān)測環(huán)境。

本系統(tǒng)產(chǎn)用DHT11數(shù)字式溫濕度傳感器[6]。DHT11含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。其專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，溫度測量范圍為0℃～50℃，測試精度為±2℃，濕度測量范圍為20%～90%，測試精度為±5%RH，測量溫濕度分辨率為8bit。具有體積小、響應(yīng)快、性價比高和適用范圍廣等優(yōu)點，能保證系統(tǒng)對環(huán)境溫濕度參數(shù)的長期、準(zhǔn)確監(jiān)測，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

DHT11溫濕度傳感器采用單線雙向的串行連接模式，進(jìn)行一次監(jiān)測及傳送所需時間一般在4ms左右[7]，通過模塊上的DATA引腳與STM32進(jìn)行通信，傳輸監(jiān)測到的溫濕度參數(shù)。

2.3 WiFi無線收發(fā)模塊

WiFi無線收發(fā)是本系統(tǒng)的重要組成部分，對采集到的溫濕度參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確傳輸給上位機，同時接受上位機的控制信號，將信號傳遞給下位機進(jìn)行對應(yīng)控制。

本系統(tǒng)產(chǎn)用安信可ESP8266WiFi模塊。ESP8266WiFi具有三種工作模式，分別為STA模式、AP模式和STA+AP混合模式，可以滿足不同工作的需要。模塊支持Espressif IoT AT指令集，豐富的指令集非常便于對WiFi模塊的調(diào)試。同時，模塊支持UDP、TCP/IP、DHCP客戶端等多種協(xié)議，支持802.11b/g/n標(biāo)準(zhǔn)，支持UART/GPIO數(shù)據(jù)通信接口，使數(shù)據(jù)可在手機、平板、服務(wù)器、無線路由器和筆記本電腦等設(shè)備之間進(jìn)行信息分享與傳輸。

ESP8266WiFi模塊與STM32通過串口UART連接通信[8]，STM32將監(jiān)測到的溫濕度參數(shù)通過串口發(fā)送到WiFi模塊，再由WiFi模塊將信息傳送給接收WiFi模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。

2.4 控制設(shè)備

控制設(shè)備是對監(jiān)測到的溫濕度參數(shù)與設(shè)定的溫濕度參數(shù)進(jìn)行比較后，根據(jù)比較結(jié)果運用PID算法對所需控制設(shè)備進(jìn)行不同的控制。

本系統(tǒng)采用簡單的3.3V驅(qū)動的繼電器模塊進(jìn)行控制。該模塊自帶光耦隔離，支持高低電平觸發(fā)。將繼電器IN引腳與STM32的IO相連，有STM32發(fā)送高低電平對繼電器進(jìn)行控制。繼電器模塊主要連接實驗用微型加熱器和小風(fēng)扇，通過PID算法的引用對環(huán)境溫濕度進(jìn)行更精確控制，其簡單實用性滿足了對設(shè)備的操作需求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括溫濕度采集、WiFi信息傳遞和上位機對信息分析及監(jiān)控三部分的程序設(shè)計。整個系統(tǒng)軟件采用模塊化方法使用C++、C語言在Keil uvision4集成開發(fā)平臺下編寫。

3.1 溫濕度采集軟件設(shè)計

溫濕度采集軟件設(shè)計主要是將傳感器采集到的環(huán)境參數(shù)通過串口傳到下位機存儲，并將信息存儲等待WiFi模塊將信息發(fā)送。根據(jù)系統(tǒng)原理，溫濕度采集軟件流程圖如圖2所示。

3.2 WiFi信息傳遞

WiFi信息傳遞分為客戶端和服務(wù)器兩個部分。

客戶端部分為下位機連接的WiFi模塊，將其設(shè)置為STA模式，通過下位機STM32的串口寫入模塊初始化信息，完成對下位機WiFi模塊的初始化工作。初始化成功后，當(dāng)STM32將存儲的溫濕度參數(shù)通過串口傳遞到WiFi模塊的發(fā)送緩沖區(qū)后，客戶端WiFi模塊通過信息通道將溫濕度參數(shù)發(fā)送給服務(wù)器模塊。同時，如果接收到上位機WiFi的控制信號，采取中斷模式，將上位機的控制信號采集接收，并發(fā)送到下位機STM32做出相應(yīng)的操作。

服務(wù)器部分為上位機連接的WiFi模塊，將其設(shè)置為AP模式，通過上位機STM32的串口寫入模塊初始化信息，完成對上位機WiFi模塊的初始化工作。初始化成功后，等待接收下位機WiFi模塊的傳輸信息。當(dāng)接收到下位機信息后，將信息通過串口送給上位機。同時，如果接收到上位機的設(shè)定信息，如：上限溫度等。接收到信息后采取中斷模式，將信息通過上位機WiFi模塊發(fā)送到下位機接收。

客戶端和服務(wù)器WiFi模塊流程圖基本相同，WiFi流程圖及中斷流程圖如圖3所示。

3.3 信息分析及監(jiān)控

上位機STM32對接收到的WiFi信息，通過解析提取出來，將監(jiān)測到的溫濕度信息用串口輸送到顯示屏上顯示。同時，可以將人工設(shè)定的上限溫度值等信息通過中斷方式用WiFi模塊傳達(dá)給下位機，便于下位機實現(xiàn)對環(huán)境變量采取相應(yīng)的控制功能。

4 系統(tǒng)測試

完成以上系統(tǒng)硬件調(diào)試后，還需針對不同模塊進(jìn)行相應(yīng)配置，從而完成整個系統(tǒng)的設(shè)計。

4.1 WiFi收發(fā)模塊的相應(yīng)配置

關(guān)于WiFi收發(fā)模塊，調(diào)試方式有很多種。本系統(tǒng)先行在PC機上使用串口工具對WiFi模塊進(jìn)行調(diào)試。設(shè)置好作為服務(wù)器和客戶端WiFi模塊的工作模式、WiFi名字和密碼等相關(guān)設(shè)定，用串口工具模擬WiFi模塊的收發(fā)數(shù)據(jù)。一切正常后將對應(yīng)指令通過STM32串口傳輸方式對WiFi模塊進(jìn)行初始化設(shè)定，具體調(diào)試的指令可以參考WiFi模塊支持的Espressif IoT AT指令集。通過這種調(diào)試方式可以使得系統(tǒng)更加靈活，便于系統(tǒng)應(yīng)用到不同的工作環(huán)境中。

4.2 實驗結(jié)果

完成所有的軟硬件的配置工作后，風(fēng)別在一定的環(huán)境下，將系統(tǒng)的STM32的上位機和下位機置于長10米的房間中。室內(nèi)溫度為21℃，濕度35%RH（通過專業(yè)儀器測量）的環(huán)境下。先將兩塊ARM板相隔1米距離，經(jīng)本系統(tǒng)測試，STM32上位機能接收到下位機經(jīng)WiFi傳送過來的溫濕度信息，分別為21℃，濕度35%RH，且信號正常穩(wěn)定。通過移動兩塊ARM板從1米到10米，WiFi傳輸信號不斷由強到弱不斷變化，但在WiFi的覆蓋空間內(nèi)，始終都能正常的監(jiān)測到溫濕度信息，并進(jìn)行信息收發(fā)和對信息采取相應(yīng)控制。然后，取一小塑料盒，用加濕噴霧器對塑料盒內(nèi)進(jìn)行均勻加濕，將塑料盒靜置1分鐘后，將溫濕度傳感器放入塑料盒內(nèi)進(jìn)行檢測，實驗發(fā)現(xiàn)在0.5秒內(nèi)顯示屏上的濕度數(shù)值迅速發(fā)生改變，并顯示出正確的測量值。測試結(jié)果表明本系統(tǒng)滿足了設(shè)計的初始要求，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)。

5 結(jié)束語

文章利用WiFi的無線傳輸能力，結(jié)合STM32和DH11溫濕度模塊，設(shè)計出一套無線溫濕度監(jiān)測控制系統(tǒng)，用來滿足溫濕度監(jiān)測在信息時代生產(chǎn)中的需要。采用本系統(tǒng)能對特殊工作環(huán)境或需要無線方式的復(fù)雜情境中對環(huán)境溫濕度進(jìn)行監(jiān)測和控制，并且采用WiFi方式可以接入互聯(lián)網(wǎng)使得所監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行流通，更方便于對生產(chǎn)的無線操控。同時整體系統(tǒng)成本低、布線簡單、有較強的可擴(kuò)展性，應(yīng)用前景十分廣泛。

參考文獻(xiàn)

[1]彭揚.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用基礎(chǔ)[M].中國物資出版社，2011.

[2]劉偉永，王鳳瑛.基于ZigBee技術(shù)的無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J]. 微型機與應(yīng)用，2013，32（11）：64-65.

[4]楊日容.基于Cortex-M3的遠(yuǎn)程大功率LED溫度測控系統(tǒng)設(shè)計[J]. 科技風(fēng)，2013（20）：53-54.

[5]廖義奎.Cortex-M3之STM32嵌入式系統(tǒng)設(shè)計[M].中國電力出版社，2012.

[6]劉軍良.WiFi技術(shù)在溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動化儀表，2014（6）：79-82.

[7]王志宏，白翠珍.基于DHT11的實驗室多點溫濕度報警系統(tǒng)設(shè)計[J].山西電子技術(shù)，2011（4）：45-46.

[8]陳帥，廖志林，周建軍.基于物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)測機房溫濕度系統(tǒng)設(shè)計[J].電聲技術(shù)，2015，39（2）：29-31.