基于IoT的在線溫濕度測量系統

張玉偉，左云波，王倪珂

（北京信息科技大學現代測控教育部重點實驗室，北京 100192）

0 引言

環境的溫濕度值對工農業生產及氣象監測等行業具有極其重要的參考價值[1]。現有的溫濕度測量系統普遍智能程度不高、可靠性差、測量精度低且系統供電成本高，無法在工農業生產中得到大規模的應用。以綠色、環保的太陽能電池為系統提供電源保障，選用ESP8266芯片和DHT11溫濕度傳感器，利用先進的無線網絡傳輸技術和IoT（Internet of Things，物聯網）技術將溫濕度數據上傳到互聯網平臺，實現對數據的實時監測是一種行之有效的解決方案。

1 系統總體構成和工作原理

根據使用目的和應用環境的不同，基于IoT的在線溫濕度測量系統既可以實現某單一位置的溫濕度值測量，也可在目標范圍附近安裝多個采樣點，實現更為準確的監測。整個系統由供電模塊太陽能板和鋰電池，帶WiFi模塊的應用芯片ESP8266，DHT11溫濕度傳感器監測單元及互聯網操作平臺組成。系統的總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體設計框圖

2 系統硬件設計

2.1 太陽能電池板

太陽能電池板應用廣泛，是一種低碳環保且實用的小型戶外電源，能夠通過組裝太陽能電池片多少來實現各種電壓配置的需要。根據設計要求選，用單片提供0.5 V左右電壓值的單晶125 mm×125 mm太陽能晶硅電池片作為組件單元，采用9片即可提供4.5 V的電源電壓，滿足3.7 V鋰電池4.2 V充電電壓的需要。為鋰電池充電的工作電路如圖2所示。

圖2 鋰電池充電模塊電路

2.2 LDO穩壓器模塊

由于太陽能電池板提供的實際電壓大于鋰電池4.2 V的安全充電電壓，會降低鋰電池的使用安全和使用壽命，所以必須對太陽能電池提供的電壓采取降壓措施，滿足充電要求。SPX3819穩壓器模塊（圖3）應用廣泛，使用性能好，提供多個固定的輸出電壓，其中提供可調的輸出電壓是重要的參考指標。

2.3 防反接模塊

設備組裝過程中經常會出現電源接反的狀況從而導致負載損壞，為了保護負載，需要對電路添加相應的防反接電路，通常在設計時會利用二極管的單向導電性來實現防反接保護。但是二極管壓降大，當電路中的額定電流較大時，還會導致發熱量增大，需要添加相應的散熱裝置。二是利用 MOS（metal oxide semiconducto，金屬-氧化物-半導體r）管的導通特性來設計防反接電路（圖4）。MOS管型防反接電路由于其具有內阻小、壓降低的特點在電路中的到廣泛的使用[2]，但是相比二極管，其成本較高。

圖3 SPX3819穩壓器模塊

已知DHT11溫濕度傳感器的工作電壓為（3.3～5.5）V，鋰電池的輸出電壓為 3.7 V，以及二級管的額定壓降0.7 V，如果直接采用二極管防反接方式將會導致DHT11工作電壓直接低于其正常工作電壓，而采用MOS管型防反接保護電路同時可以滿足所需要的電壓，而且模塊消耗功率小，所以采用MOS管型防反接保護電路。

圖4 MOS管型防反接保護電路

2.4 ESP8826和DHT11溫濕度傳感器

相比其他開發模塊，本設計選用的ESP8826模塊體積小，功耗低，而且價格實惠，并且帶有一個完整的且自成體系的WiFi網絡解決方案。同時ESP8826支持固件透傳功能，能夠根據不同的設計需要編寫相應的固件對其進行升級。

DHT11目前應用廣泛，其在出廠時便進行了精確的濕度校準，保證每一塊都能滿足使用要求。DHT11的環境溫度檢測范圍（0～50）℃，檢測精度1℃[3]。其相對濕度檢測范圍在20%～90%RH，檢測精度為1%RH；同時DHT11體積相對較小、功率消耗極低，能夠在20 m的范圍內進行有效的數據傳輸；4針單排引腳封裝也極大方便了與其他硬件的連接。圖5是DHT11與ESP8266連接電路。

圖5 ESP8266與DHT11連接電路

圖6 主程序流程

3 系統軟件設計

3.1 主程序設計

主程序流程如圖6所示，上電后，系統啟動后能夠自動連接WiFi熱點和網絡平臺賬號，一切準備就緒后DHT11采集周圍的溫濕度，并不斷地將數據發送到物聯網數據平臺。

3.2 IoT平臺

傳感器進行數據上傳和匯總的平臺稱為IoT平臺，其主要進行物與物之間的信息交換和通信，也就通過了解物體上傳感器感知的各項信息來對物體進行識別、定位和監控，實現物體間數據的共享。IoT平臺的建立解決了開發過程中各種自建網絡平臺兼容性差，投入高，開發緩慢等問題。同時IoT平臺具有大的數據存儲容量，平臺安全性高能夠滿足快速可靠的數據通信。

Doit IoT平臺是一個簡單的物聯網平臺，可以滿足對可溫濕度傳感器進行數據上傳并、統計、分析的需求，如圖7其具備多種數據形式展示，和數據下載功能。

4 結語

經過測試，基于IoT的在線溫濕度測量系統設計合理，相比以往，IoT技術的應用，使系統具有極好的拓展性，為后期系統升級預留了開發空間，可以逐漸實現真正意義上的智能化操作，以實現對多種信息的采集的需要。此外，由于大大節約不必要的體力勞動，能夠使人們進行更多有價值的勞動，可以促進生產力向前發展。

圖7 DOIT IoT平臺數據頁面