基于IOT技術的智能香薰控制系統

黃萍萍，羅清雄，鄭月瀅，倪偉傳，萬智萍

（中山大學新華學院，廣州 510520）

0 引言

在物聯網[7]快速發展的情況下，在越來越多的領域中應用智能化[1,3]的手段來解決問題。香薰機是通過散發出來的活氧負離子，與空氣中有害的氣體分子產生強力反應、綜合清除，已達到凈化空氣的作用，也可以讓室內空氣變得清新些，使得環境空間中更加適宜。目前，香薰機的控制大多數處于依靠手動調節的狀態，而且空間環境中的溫濕度調節往往被忽略。在市場中，有極少部分香薰機利用語音進行遠程控制，但該遠程控制系統中僅僅完成了遠程控制，未考慮對實際環境空間的影響，并沒有設計出智能調控的軟硬件協作系統。

因此，我們此研究項目是基于IOT技術[2,5,14]的智能香薰控制系統，增加了時間、溫濕度的顯示，使得用戶可通過OLED的顯示來操控香薰機。利用LED三色光來顯示香薰機散發的強弱狀態，更好地智能控制香薰機使其運作。本系統以STM32F107為核心控制器，可根據需要連接多個傳感器模塊，實時的對環境進行數據采集，使用戶可以在移動客戶端上詳細了解到溫濕度的具體情況且可根據不同的需要進行控制智能香薰機，操作簡單、智能調控等優點。

1 整體系統結構

本系統主要包括硬件系統模塊、軟件系統模塊、客戶端智能控制模塊三大核心模塊。整個系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

硬件系統模塊：系統將DHT11數字溫濕度傳感器、DS3231、OLED顯示屏模塊等接入到STM32F107VC主板通過ESP-8266WIFI模塊[4,6,8]接入云服務器，把各傳感器的數據傳給指定云服務器，數據將存入云服務器后臺的MySQL數據庫。通過從數據庫提取出各個傳感器的值，利用HelloChart繪制出溫濕度曲線圖，用戶可通過登錄APP端實現查看所屬空間的溫濕度的情況,

為了保持無線模塊的穩定性以及通信的安全性，本系統采用性能穩定的ESP-8266模塊采用AP模式，該模塊加密類型有：WEP64/WEP128/TKIP/AES，通過路由器訪問云服務器進行數據的傳遞，安全性高且穩定性好。

軟件系統模塊：用戶可通過登錄手機APP點擊控制按鈕，通過網絡將控制指令發送服務器，STM32F107VC控制板從服務器獲取指令對香薰機進行操作，實現遠程操控。根據數據的反映進行合理的強弱控制，利用LED燈來顯示香薰機散發強弱。根據溫濕度的反映設置定時器，通過設置定時器控制香薰機的開關，避免香薰的浪費以及使用，也進一步避免香薰機因運作過長而散發有害物質。

客戶端智能控制模塊[11～13,15]：用戶利用APP移動端可方便快捷查看所屬空間溫濕度的變化，當溫濕度的值超過最適宜的值時，系統會自動按所設定的策略執行以及對香薰機進行遠程監控。

2 系統硬件設計

硬件系統主要由多模塊形式構成，利用不同功能模塊組成，有效降低了系統的構造成本，優化了系統的總體性能。系統主要由DHT11數字溫濕度傳感器、時鐘信號、OLED顯示屏、LED等模塊組成，以STM32F107VC作為主控芯片，溫濕度傳感器所采集環境空間中的數據信息交由給主控芯片進行優化處理，實現與APP移動端[9,10]的控制平臺溫濕度數據展示以及對香薰機的智能調控等；數據傳輸通過ESP-8266 WIFI模塊進行無線收發，實現與APP移動端之間的命令和溫濕度數據信息的無線傳輸；APP移動端的控制平臺主要對接收到的溫濕度數據曲線展示和對香薰機的遠程調控。

當主控芯片接收來自云端的命令指令對香薰機進行智能調控時，對主控芯片發送控制的格式為：

2.1 溫濕度數據采集

溫濕度數據采集模塊是由DHT11數字溫濕度傳感器和STM32F107VC主板構成，DHT11數字溫濕度傳感器是一個校準的數字信號輸出復合型傳感器，可同時檢測環境空間中溫度和濕度，測量范圍攝氏度溫度為0～50℃，相對濕度為20%～90%RH。系統通過DHT11數字溫濕度傳感器對環境空間中的溫濕度情況進行數據采集，將采集到數據通過ESP-8266WIFI模塊傳輸至云端保存并處理數據。OLED顯示屏中實時反映了溫濕度的數值。

2.2 核心控制器

根據整體系統以及功能的需求，本系統采用以8051為內核單時鐘/機器周期的STM32F107VC的單片機作為硬件核心控制器。因為該單片機有集成SRAM、FLASH、計時器/定時器、I/O接口、SPI、12位A/D轉換、看門狗以及串口在線編程等外圍模塊。包含了數據采集和OLED顯示以及其他控制功能模塊，滿足了系統設計的總體要求。

圖2 STM32F10VC原理圖

3 系統軟件設計

在本系統中采用無線傳輸方式將所采集的參數傳輸至APP移動端。無線WIFI模塊有多種工作模式，在系統中采用AP模式下，首先對ESP-8266無線WIFI模塊進行初始化設置，根據無線傳輸通訊協議，從主控芯片的串口給無線WIFI模塊發送AT指令，完成初始化指令等。將采集的數據通過ESP-8266無線WIFI模塊傳輸至指定的服務器，后端服務接收到來自ESP-8266WIFI模塊透傳的數據。通過數據分析處理，將處理后的數據存儲至MySQL數據庫中。用戶通過訪問APP移動端可詳細了解任意時刻溫濕度的數值，且可對香薰機實現遠程監控。

3.1 APP應用程序具有的功能

用戶在APP上可以在首頁查看溫濕度的曲線圖，查看即時數據，歷史數據，在遠端進行控制，還可以瀏覽一下生活資訊，APP移動端具有較完善的功能，主要由溫濕度數據、遠程調控、生活資訊構成，且頁面友好，方便操作。

3.2 APP控制過程

用戶通過登錄手機APP端查看溫濕度數據變化，當溫濕度超過最適宜時，可通過APP設定所需操作，來控制香薰機，為我們所需的適宜環境進行設置，為避免香薰機運作過長而散發的有害物質，通過設置定時器，當達到所設置的時間時，香薰機可自動關閉運作系統。

圖3 APP控制過程

智能調控的香薰機，在移動端APP設置了“大中小”的按鈕控制，調節香薰機的轉動，對香薰機發送“大中小”控制的格式為：

當查看溫濕度數值曲線，溫濕度出現較大偏大時，可通過遠程智能調控對香薰機進行控制。利用定時功能對其進行操控，對香薰機發送定時控制。

4 系統測試實驗

整體系統構建完成后，為了驗證系統的可實現性以及性能優勢，進行了系統的測試。本文在選定不同環境空間中放置數據采集的設備，有針對性的對環境的溫度與濕度進行采集，實時反饋于用戶端，并根據其助眠效果進行分組測驗，其結果如圖4所示。

圖4 智能香薰控制系統實物圖

圖4為本系統的實物圖，通過DHT11數字溫濕度傳感器與主控制器等設備保證在同一WIFI熱點覆蓋區域內，才能保證所采集的數據能正常傳輸至云端。將傳感器采集到環境空間中溫濕度的數據，進一步數據處理，在APP中顯示溫濕度的具體數值以及某個時間段內溫濕度變化的曲線，如圖5所示。用戶可通過登錄APP對香薰機進行遠程調控，可定時控制，調節開啟大小等操作。

圖5 溫濕度的曲線及控制

香薰機可以利用多種方式將水和純植物精油霧化，使得室內保持一定的濕度。助眠效果良好，可輔助治療和緩解流感、氣管炎等疾病，并對神經系統、心血管系統和人體的新陳代謝起到一定的保護作用。對比使用香薰機入睡時間前后：純植物精油香薰對縮短入睡困難失眠者的入睡時間有明顯的效果，且可智能調控香薰機的使用，方便簡潔。

表1 失眠患者治療入睡時間縮短情況

通過觀察10組數據可以看到，2例在使用純植物精油香薰前后入睡時間均小于30min，無入睡困難狀況，故不在此次測試范圍內。8例入睡困難者中，4例使用純植物精油香薰后入睡時間顯著減少，相比較于使用前減少大于80%，3例使用純植物精油香薰后入睡時間相較于使用前大于50%，1例使用純植物精油香薰后相較于之前無效。根據療效標準，達到療效顯著有4例，達到有效療效有3例，無效1例，總有效率為87.5%。

5 結束語

本作品從生活實際出發，實用性強。且與市場上的香薰機相比，本系統在監控上更加精確實且具有定時功能及智能調節開啟大小，用戶只需要在手機安裝對應的客戶端即可溫濕度的數據曲線，根據溫濕度的曲線進行遠程監控。智能化調控的香薰機，使得空間環境狀態達到最佳，且助眠效果良好，可輔助治療和緩解流感、氣管炎等疾病，并對神經系統、心血管系統和人體的新陳代謝起到一定的保護作用，提高生活質量，保障生活的品質。