冷蒸發式物聯網智能加濕器

潘慶華，康偉，馬思炎，彭沖，邴瑩，孫昊

（遼寧工業大學，遼寧錦州，121001）

0 引言

隨著科學技術的迅速發展，人類社會不斷進步。人們生活水平日益提高，而人們對生活要求越來越高，因此智能家居的出現，讓眾多人實現了高質量的生活。通過對市場的調查發現，加濕器的需求在日益增大，現在大部分建筑室內供暖方式采用地暖，采暖效果好，但從而引發了另一個問題：干燥。干燥的空氣具有一定的危害。首先是易造成細菌的傳播。其次，易造成身體水分過度流失，感染疾病，加速衰老。而目前，市面上最常見的是超聲波噴霧式加濕器，這種加濕器雖然能快速提高室內濕度，但是其也有很多弊端，例如：對水質要求極高且噴出的是水霧可能引發呼吸系統疾病，從一定程度上影響了人們的健康。而本作品使用的是冷蒸發加濕的方式[1],規避傳統加濕器的缺點，可通過語音和手機客戶端等來對加濕器進行遠程監控及操控。

本文首先介紹冷蒸發式加濕系統的整體設計方案，再對系統的硬件電路方案進行論證，然后對系統的程序進行設計，最后給出系統的調試與測試。

1 整體設計方案

整體設計框圖如圖1 所示，機械部分由電機提供氣流，加速容器內水的蒸發，讓水蒸氣進入到空氣中。電源管理系統由鋰電池，升壓模塊和充電管理模塊組成，給整個系統進行供電，支持內置鋰電池工作，鋰電池可由Type-c進行充電，且支持邊充電邊工作。

圖1 整體設計框圖

溫濕度傳感器、水位傳感器等傳感器，將檢測得到的信號傳輸到單片機I/O 口，由單片機根據信號的變化（即電平的高低）判斷外界環境的變化，然后根據內部設定的程序發出指令，控制機械部分實現相應的動作，并將采集到的相應數值顯示在OLED 顯示屏上[2]。觸摸按鍵、紅外接收模塊、HC-08 低功耗藍牙模塊、ESP8266WI-FI 模塊，在接收到用戶發出的指令后，將相應指令的電信號輸入到單片機I/O 口，然后單片機再經過內部處理程序，處理完畢后完成相應指令。

最后，考慮到細菌在濾網上滋生的問題，可能導致細菌摻雜在水蒸氣中，隨水蒸氣而拋向空氣中，從而影響用戶的身體健康[3]，所以增添UV 燈殺菌功能。

2 硬件電路方案論證

■2.1 物聯網單元方案論證

方案一：采用ESP8266-01 模塊。該模塊共8 個引腳，引腳數量較少。其次，其flash 閃存比較小，不能滿足部分物聯平臺需求。

方案二：采用ESP8266-12f 模塊。該模塊引腳數量較多，一般最少是16 個引腳，I/O 口齊全，而且flash 閃存較大，能滿足物聯需求。

綜上所述，為滿足物聯需求，擇優選取方案二。

圖2 ESP8266-12f模塊

■2.2 溫濕度采集單元方案論證

圖3 DHT11 傳感器模塊

方案一：采用DHT11 傳感器。DHT11 傳感器包括1個電阻式感濕元件和1 個NTC 測溫元件，并與1 個高性能8 位單片機相連接。采用單線制串行接口，使系統連接可以更簡潔。功耗極低，信號傳輸距離可達20m 以上。DHT11 具有體積小、功耗低、響應速度快、抗干擾能力強、控制簡單、性價比高等優點。

方案二：采用DHT22傳感器。DHT22 也被稱為AM2302，具有標準的單總線接口。其相比于DHT11，擁有更高的精度和更大的量程，是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。DHT22 應用于專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，能確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。

綜上所述，但考慮到DHT22 傳感器價格相比于DHT11昂貴許多，故擇優選取方案一。

■2.3 水位采集單元方案論證

圖4 ZCT-YOF07液位傳感器

方案一：采用Water Sensor 水位傳感器。Water Sensor 水位傳感器是一款簡單易用、性價比較高的水位/水滴識別檢測傳感器，其工作原理是通過具有一系列的暴露的平行導線線跡測量其水滴/水量大小從而判斷水位情況。

方案二：采用ZCT-YOF07 液位傳感器。ZCT-YOF07 液位傳感器具有電子封膠，能一定程度上防潮、隔熱，增加了傳感器的使用壽命。其次本傳感器是非接觸柔性液位傳感器，對被測環境要求不高。

綜上所述，由于Water Sensor 水位傳感器感器是接觸式，并且非柔性對被測環境要求極高，故擇優選取方案二。

■2.4 顯示單元方案論證

圖5 OLED 0.96 寸顯示屏

方案一：采用LCD1602液晶顯示屏。LCD1602是一種工業字符型液晶，能夠同時顯示16×02 即32個字符。LCD1602 液晶顯示原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區域進行控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形。

方案二：采用OLED 0.96 寸顯示屏。OLED 屏幕作為一種新型的顯示技術，其自身可以發光，亮度，對比度高，功耗低。OLED 0.96 寸顯示屏分辨率為128×64，屏幕尺寸為0.96 寸，除了可以顯示常規的字符、字母外，還可以顯示漢字。由于其較小的尺寸和較高的分辨率，讓它有著很好的顯示效果和便攜性。

綜上所述，為了擁有更好的交互式體驗和更好的的視覺體驗，優先選取方案二。

■2.5 按鍵單元方案論證

圖6 TTP223 觸摸按鍵

方案一：采用輕觸開關。輕觸開關是一種常見的電子開關，使用時只需輕輕點按開關按鈕就可實現開關的接通，當放開手時開關既斷開。這樣的工作特性，是由于電子開關內部結構必須靠金屬彈片受力彈動來完成通斷的。微動開關由于體積小重量輕，在家用電器方面得到廣泛的使用。但微動開關也有它不足的地方，如頻頻的按動會使金屬彈片疲勞失去彈性而失效。

方案二：采用TTP223 電容式觸摸按鍵。電容式觸摸按鍵的檢測原理是通過RC 充電時間的變化實現的，其中最根本的原因是電容容量的變化。在周圍環境不變的情況下，按鍵和大地之間的電容是一個很微小的固定值，由于人體和大地之間也存在著電容。故當手指靠近觸摸按鍵時，就相當于觸摸按鍵與大地之間的電容并聯了人體與大地之間的電容，從而使總電容容量變大。

綜上所述，考慮到輕觸開關使用壽命較短，而觸摸按鍵具有簡潔，精美，使得產品看起來更加時尚，更容易獲取當今用戶的青睞，因而擇優選取方案二。

3 軟件程序設計

■3.1 主程序設計

如圖7 所示，為主程序設計的流程圖。在接通電源后，單片機開始工作，各模塊進行初始化。水位傳感器檢測系統開始檢測，若水位異常（即未注水或水量較少）加濕器處于待機狀態，提示用戶及時注水[4]。若水位正常，則檢測與單片機I/O 口相連接的觸摸按鍵、紅外遙控、HC-08 藍牙模塊、ESP8266WI-FI 模塊是否有輸入，并將采集到的數據送顯于OLED 顯示屏和手機客戶端。

圖7 主程序設計流程圖

觸摸按鍵、紅外遙控器（短距離傳輸）均可設置UV 燈開關、以及設置溫濕度閾值，設置成功后系統便會根據用戶下達的指令進行智能調控?；蛘?，用戶可通過APP 客戶端（通過ESP8266 WI-FI無線傳輸）遠程查看室內溫濕度情況，以及控制加濕器開關。亦或者，用戶可通過微信小程序客戶端（通過HC-08 藍牙傳輸）直接下達指令控制加濕器。

■3.2 數據檢測程序設計

水位傳感器位于加濕器水箱內壁，對水箱內的水量進行實時檢測，并反饋于單片機，若水量低于額定水位，系統即判定為缺水，加濕器停止加濕，處于待機狀態，并提示用戶及時注水。

圖8 APP 控制實例

圖9 小愛同學查詢實例

圖10 微信小程序控制實例

溫濕度傳感器位于加濕器頂部的集成電路板內，可對用戶房間進行實時的檢測，并產生模擬信號傳輸給單片機，然后單片機進行一系列處理后，將采集到的數據反饋給用戶，并控制加濕器對室內環境進行調節。

■3.3 客戶端智能控制

3.3.1 APP 智能控制

本加濕器可以實現APP 遠程查看室內環境狀況，控制加濕器開關，以及定時、倒計時等功能；還可以添加到手機小愛同學、天貓精靈等第三方平臺實現更為便利的查詢、控制效果。智能加濕器具有很高的安全性、可靠性，使用方便靈活，適用于更多人群。

3.3.2 微信小程序智能控制

本加濕器還可以實現微信小程序端控制加濕器開關。小程序是一種無需下載安裝即可使用的應用，滿足當代年輕人的快節奏，即開即用，減少了下載、安裝軟件的繁瑣操作。使用時只需打開微信，搜索并添加“智能家居云助手”小程序，即可使用。

4 系統實現與調試

如圖11 所示，為上電工作狀態下的冷蒸發式物聯網智能加濕器實物圖。利用此圖實物進行測試:

圖11 遠程操控設備測試

測試項目：系統功能測試 系統安全性測試 APP 和微信小程序用戶界面測試

(1)系統功能測試

首先對系統各個模塊進行單獨的測試，其中HC-08 藍牙模塊、ESP8266WI-FI 模塊等模塊均運行正常。在使用有效數據時得到了預期的效果，在使用無效數據時顯示相應的錯誤警示。各項功能均使用正常，且對于測試人員操控簡單，易用性很強。

(2)系統安全測試

在測試過程中沒有遇到過傷害到測試人員的情況，系統安全性極高。

(3)APP 和微信小程序用戶界面測試

在測試過程中各個顯示頁面均正常，可以準確反映相應的功能和需求。

5 結束語

本設計是一款具有實時監測、遠程控制、UV 燈殺菌及水位預警等功能的物聯網智能加濕器。機械部分由電機提供氣流，產生循環風將液態水變成氣態水，實現加濕效果，不會帶來白霧、水垢，以及影響空氣顆粒物濃度的問題。智能加濕器控制系統能在家中無人時，根據用戶設置的預設值自行進行智能調控室內環境，用戶也可通過手機客戶端（包括APP、微信小程序）進行遠程監測，以及人工調控。使加濕器真正的智能起來，就會給人們的居家生活帶來諸多方便，從而進一步提高人們的生活質量。