基于IoT的在線溫濕度測(cè)量系統(tǒng)

張玉偉，左云波，王倪珂

（北京信息科技大學(xué)現(xiàn)代測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100192）

0 引言

環(huán)境的溫濕度值對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及氣象監(jiān)測(cè)等行業(yè)具有極其重要的參考價(jià)值[1]。現(xiàn)有的溫濕度測(cè)量系統(tǒng)普遍智能程度不高、可靠性差、測(cè)量精度低且系統(tǒng)供電成本高，無(wú)法在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到大規(guī)模的應(yīng)用。以綠色、環(huán)保的太陽(yáng)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(jìn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)和IoT（Internet of Things，物聯(lián)網(wǎng)）技術(shù)將溫濕度數(shù)據(jù)上傳到互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是一種行之有效的解決方案。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)成和工作原理

根據(jù)使用目的和應(yīng)用環(huán)境的不同，基于IoT的在線溫濕度測(cè)量系統(tǒng)既可以實(shí)現(xiàn)某單一位置的溫濕度值測(cè)量，也可在目標(biāo)范圍附近安裝多個(gè)采樣點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)更為準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)。整個(gè)系統(tǒng)由供電模塊太陽(yáng)能板和鋰電池，帶WiFi模塊的應(yīng)用芯片ESP8266，DHT11溫濕度傳感器監(jiān)測(cè)單元及互聯(lián)網(wǎng)操作平臺(tái)組成。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 太陽(yáng)能電池板

太陽(yáng)能電池板應(yīng)用廣泛，是一種低碳環(huán)保且實(shí)用的小型戶外電源，能夠通過(guò)組裝太陽(yáng)能電池片多少來(lái)實(shí)現(xiàn)各種電壓配置的需要。根據(jù)設(shè)計(jì)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(yáng)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。

2.2 LDO穩(wěn)壓器模塊

由于太陽(yáng)能電池板提供的實(shí)際電壓大于鋰電池4.2 V的安全充電電壓，會(huì)降低鋰電池的使用安全和使用壽命，所以必須對(duì)太陽(yáng)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(yīng)用廣泛，使用性能好，提供多個(gè)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(biāo)。

2.3 防反接模塊

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

圖2 鋰電池充電模塊電路

設(shè)備組裝過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)電源接反的狀況從而導(dǎo)致負(fù)載損壞，為了保護(hù)負(fù)載，需要對(duì)電路添加相應(yīng)的防反接電路，通常在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)利用二極管的單向?qū)щ娦詠?lái)實(shí)現(xiàn)防反接保護(hù)。但是二極管壓降大，當(dāng)電路中的額定電流較大時(shí)，還會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱量增大，需要添加相應(yīng)的散熱裝置。二是利用 MOS（metal oxide semiconducto，金屬-氧化物-半導(dǎo)體r）管的導(dǎo)通特性來(lái)設(shè)計(jì)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(diǎn)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(jí)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(huì)導(dǎo)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(hù)電路同時(shí)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(hù)電路。

圖4 MOS管型防反接保護(hù)電路

2.4 ESP8826和DHT11溫濕度傳感器

相比其他開(kāi)發(fā)模塊，本設(shè)計(jì)選用的ESP8826模塊體積小，功耗低，而且價(jià)格實(shí)惠，并且?guī)в幸粋€(gè)完整的且自成體系的WiFi網(wǎng)絡(luò)解決方案。同時(shí)ESP8826支持固件透?jìng)鞴δ埽軌蚋鶕?jù)不同的設(shè)計(jì)需要編寫相應(yīng)的固件對(duì)其進(jìn)行升級(jí)。

DHT11目前應(yīng)用廣泛，其在出廠時(shí)便進(jìn)行了精確的濕度校準(zhǔn)，保證每一塊都能滿足使用要求。DHT11的環(huán)境溫度檢測(cè)范圍（0～50）℃，檢測(cè)精度1℃[3]。其相對(duì)濕度檢測(cè)范圍在20%～90%RH，檢測(cè)精度為1%RH；同時(shí)DHT11體積相對(duì)較小、功率消耗極低，能夠在20 m的范圍內(nèi)進(jìn)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(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序流程如圖6所示，上電后，系統(tǒng)啟動(dòng)后能夠自動(dòng)連接WiFi熱點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)賬號(hào)，一切準(zhǔn)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(tái)。

3.2 IoT平臺(tái)

傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳和匯總的平臺(tái)稱為IoT平臺(tái)，其主要進(jìn)行物與物之間的信息交換和通信，也就通過(guò)了解物體上傳感器感知的各項(xiàng)信息來(lái)對(duì)物體進(jìn)行識(shí)別、定位和監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)物體間數(shù)據(jù)的共享。IoT平臺(tái)的建立解決了開(kāi)發(fā)過(guò)程中各種自建網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)兼容性差，投入高，開(kāi)發(fā)緩慢等問(wèn)題。同時(shí)IoT平臺(tái)具有大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量，平臺(tái)安全性高能夠滿足快速可靠的數(shù)據(jù)通信。

Doit IoT平臺(tái)是一個(gè)簡(jiǎn)單的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，可以滿足對(duì)可溫濕度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳并、統(tǒng)計(jì)、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。

圖7 DOIT IoT平臺(tái)數(shù)據(jù)頁(yè)面

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)測(cè)試，基于IoT的在線溫濕度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，相比以往，IoT技術(shù)的應(yīng)用，使系統(tǒng)具有極好的拓展性，為后期系統(tǒng)升級(jí)預(yù)留了開(kāi)發(fā)空間，可以逐漸實(shí)現(xiàn)真正意義上的智能化操作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)，能夠使人們進(jìn)行更多有價(jià)值的勞動(dòng)，可以促進(jìn)生產(chǎn)力向前發(fā)展。

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