基于IoT的在線溫濕度測量系統(tǒng)

張玉偉，左云波，王倪珂

（北京信息科技大學現(xiàn)代測控教育部重點實驗室，北京 100192）

0 引言

環(huán)境的溫濕度值對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及氣象監(jiān)測等行業(yè)具有極其重要的參考價值[1]。現(xiàn)有的溫濕度測量系統(tǒng)普遍智能程度不高、可靠性差、測量精度低且系統(tǒng)供電成本高，無法在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到大規(guī)模的應用。以綠色、環(huán)保的太陽能電池為系統(tǒng)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(wǎng)絡傳輸技術和IoT（Internet of Things，物聯(lián)網(wǎng)）技術將溫濕度數(shù)據(jù)上傳到互聯(lián)網(wǎng)平臺，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測是一種行之有效的解決方案。

1 系統(tǒng)總體構成和工作原理

根據(jù)使用目的和應用環(huán)境的不同，基于IoT的在線溫濕度測量系統(tǒng)既可以實現(xiàn)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(xiàn)更為準確的監(jiān)測。整個系統(tǒng)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(jiān)測單元及互聯(lián)網(wǎng)操作平臺組成。系統(tǒng)的總體結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設計框圖

2 系統(tǒng)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(huán)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(xiàn)各種電壓配置的需要。根據(jù)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(wěn)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(wěn)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(diào)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(jīng)常會出現(xiàn)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?qū)щ娦詠韺崿F(xiàn)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(fā)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(nèi)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(wěn)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(fā)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?guī)в幸粋€完整的且自成體系的WiFi網(wǎng)絡解決方案。同時ESP8826支持固件透傳功能，能夠根據(jù)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(huán)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(nèi)進行有效的數(shù)據(jù)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(tǒng)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(tǒng)啟動后能夠自動連接WiFi熱點和網(wǎng)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(shù)據(jù)發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)平臺。

3.2 IoT平臺

傳感器進行數(shù)據(jù)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(jiān)控，實現(xiàn)物體間數(shù)據(jù)的共享。IoT平臺的建立解決了開發(fā)過程中各種自建網(wǎng)絡平臺兼容性差，投入高，開發(fā)緩慢等問題。同時IoT平臺具有大的數(shù)據(jù)存儲容量，平臺安全性高能夠滿足快速可靠的數(shù)據(jù)通信。

Doit IoT平臺是一個簡單的物聯(lián)網(wǎng)平臺，可以滿足對可溫濕度傳感器進行數(shù)據(jù)上傳并、統(tǒng)計、分析的需求，如圖7其具備多種數(shù)據(jù)形式展示，和數(shù)據(jù)下載功能。

4 結語

經(jīng)過測試，基于IoT的在線溫濕度測量系統(tǒng)設計合理，相比以往，IoT技術的應用，使系統(tǒng)具有極好的拓展性，為后期系統(tǒng)升級預留了開發(fā)空間，可以逐漸實現(xiàn)真正意義上的智能化操作，以實現(xiàn)對多種信息的采集的需要。此外，由于大大節(jié)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(chǎn)力向前發(fā)展。

圖7 DOIT IoT平臺數(shù)據(jù)頁面