智能家居的溫濕度系統設計

李瑩瑩，曾曉菊，何宇航，展云龍，鄒蘊琦

（貴州大學 大數據與信息工程學院，貴州 貴陽 550025）

0 引 言

近年來，隨著人們生活水平的提高，人們對居住環境的要求也越來越高。溫濕度是居家環境的重要參數，把握好溫濕度的調節對于優質的家居環境至關重要。本文結合實際生活需求，利用單片機和云平臺相結合的智能化技術，設計了一款能夠實時監測并調節溫濕度的智能家居系統，為居民生活質量的改善提供了一定的參考價值。

品牌聯想評估內容包括讀者在看到品牌時所能想到的閱讀推廣活動的基本特征（比如活動一般是什么形式、閱讀內容的喜好程度、活動的時間、活動所代表的整體水平等）、品牌利益（讀者能從活動中收獲到什么、讀者認為的價值存在點）、品牌態度（讀者對品牌的整體評價）。讀者所能聯想的事務越多，越具體，說明對品牌的關注度和參與度越高，而品牌態度則代表了讀者對活動的整體喜好程度。

1 系統整體方案設計

本系統采用STC89C52單片機為主要控制單元，選擇DHT11作為溫濕度傳感器，LCD1602液晶顯示屏作為數據顯示器件，ESP8266 WiFi芯片作為通信模塊，可以實現通過微信小程序查看家居環境溫濕度參數，并可對智能家居設備進行遠程監測和控制的功能。因此，本系統的下位機設計包含單片機最小系統、溫濕度傳感器模塊、LCD顯示模塊、無線通信模塊以及繼電器模塊5部分，上位機設計包含云服務器平臺和微信小程序顯示兩部分。系統設計如圖1所示。

圖1 系統總體設計

2 系統硬件設計

2.1 系統控制模塊

本設計采用STC89C52單片機作為控制核心，STC89C52是STC公司生產的一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K字節系統可編程Flash存儲器[1]。STC89C52雖然使用的是經典的MCS-51內核，但經過了大量的改進，它具備了51單片機所沒有的性能。正是由于高效性和靈活性的優點，它被廣泛地應用于眾多嵌入式控制應用系統，引腳如圖2所示。

式中：u,v∈{1,2,3}表示T1、T2和T3之間任意兩個時段的索引，Tu和Tv可以相同也可以不同；PEi,u表示電動汽車i在分時電價體系下Tu時段的充電需求；PEi(t)為在基本時間間隔t內的充電功率；ρv表示Tv時段內的分時電價價格；和分別表示非分時電價體系下的電動汽車各時段充電需求和電價，其中

圖2 單片機最小系統

2.2 溫濕度傳感模塊

云服務器是整個系統數據處理及存儲的關鍵，也是整個物聯網系統的重要組成部分，有了它才能實現遠程實時通信[7]。本系統的云服務器與下位機之間的通信采用TCP/IP的通信模式，即利用下位機的WiFi模塊與家用路由器相連接以訪問互聯網。

2.3 數據顯示模塊

由表3和圖3可知，在濃香型白酒貯存過程中，38%vol低度白酒比52%vol高度白酒總酸含量增加更快，隨著貯存時間的延長，其之間的改變量進一步擴大。經過3年時間的貯存，高度白酒總酸含量的增長已經趨于平緩，但是低度白酒卻依然增長很快。低度白酒較高度白酒更容易水解，酒中乙醇濃度的高低對于白酒水解具有重要的抑制作用。

2.4 無線通信模塊

本系統采用5 V的光耦繼電器，光耦繼電器是指含有一個金氧半場效晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）光耦合發光二極管（Light Emitting Diode，LED）的光耦，用光耦來控制開關狀態的固態繼電器。它是一種固態繼電器，用光耦驅動三極管，控制光耦端，通過單片機發送適當的電信號，以光為介質傳輸電信號。與電磁繼電器相比，光耦繼電器沒有機械觸點引起的磨損，因此擁有無限的使用壽命，同時無震動和切換等動作的聲音，安靜環保，并具有隔離作用和驅動能力。

2.5 繼電器模塊

為了實現單片機系統與上位機控制系統之間的數據傳輸，本設計采用ESP8266 WiFi模塊作為無線通信的主要器件。該模塊使用3.3 V單電源供電，支持通用異步接收/發送裝置（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART），通用輸入/輸出（General Purpose Input Output，GPIO）數據通信接口，內置傳輸控制協議/網際協議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）棧，支持多路TCP Client連接[4]。該芯片可工作于3種模式下，分別是接入點（Access Point，AP）模式、單線程單元（Single-Threaded Apartment，STA）模式以及AP+STA混合模式，通過AT指令進行配置。ESP8266模塊可以實現串口透傳、脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）調控、GPIO控制等主要功能[5]。該模塊與STC89C52單片機之間采用串行通信的連接方式，使用單片機固有的RX、TX串行通信接口與之相連，即可實現WiFi芯片與單片機的交互。

為了方便觀察系統采集的溫濕度數據，本設計選擇LCD1602液晶顯示屏作為實現數據顯示功能和方便觀察閾值調整的主要器件。它是一種專門用來顯示數字、符號以及字母等的點陣型液晶模塊，每行16個字符，能夠顯示兩行，具有可顯示內容豐富的特點。此液晶顯示屏內含復位電路，可以為用戶提供不同的控制指令，如工作方式設置、顯示開關控制、模式設置、清屏、光標歸位、顯示移動等多種功能，具有微功耗、體積小、超薄輕巧等優點，能夠很好地滿足本設計的需求。

3 系統軟件設計

微信小程序是一種用戶不需要下載安裝即可使用的應用，具有豐富的功能和出色的使用體驗，降低了用戶的使用難度，充分體現了“用完即走”的理念，用戶不必為安裝過多的應用而擔心內存的問題，而且節省了大量的資金、時間以及人力，開發成本低[9,10]。小程序將通過建立超級入口的地位，成為微信生態鏈中不可或缺的力量，未來發展前景不可限量。

3.1 云服務器軟件實現

本系統采用DHT11溫濕度傳感器來采集環境中的溫濕度數據。DHT11是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，它應用特定的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，保證產品的高可靠性和長時間的穩定性[1]。該傳感器內含一個電阻式感濕元件和一個負溫度系數（Negative Temperature Coefficient，NTC）測溫元件，其濕度測量范圍為20%～95%，溫度測量范圍為-20～60 ℃[1]。在溫濕度檢測電路設計中，因為該傳感器僅有一個單總線串行輸出接口，造成了其發送和接收必須為三態特性，所以必須外接一個上拉電阻，使其在常規狀態下呈現高電平[2,3]。

本設計采用的是OneNet云服務器平臺，此平臺可協助開發者方便地進行設備的接入與連接，短時間內就可完成產品的開發與部署，并為智能硬件及智能家居產品提供全面的物聯網解決方案[8]。除此之外，OneNet云服務器平臺支持以太網、WiFi以及通用分組無線服務技術（General Packet Radio Service，GPRS）3種通信方式，而在本設計當中，與以太網和GPRS相比，使用WiFi會更加便捷，所以本系統利用WiFi模塊來實現單片機與云服務器平臺之間的通信。

在系統啟動時，單片機會向ESP8266發送AT指令啟動WiFi模塊，并且完成TCP Client的部署，同時連接上遠程TCP服務器。云服務器在WiFi模塊將信息以指定格式發送出去后，將數據接收、保存至本地數據庫中，緊接著將響應和數據控制指令發送回下位機，至此下位機和云服務器之間完成交互，家居系統可以開始進行正常工作。

3.2 微信小程序設計

軟件設計與實現是智能家居其智能與進步的重要體現。與硬件設計不同，軟件部分無法進行整體設計，因此需要考慮不同場合的功能需求進行針對性的程序設計。軟件的總體設計是在微信小程序控制模式下，通過微信小程序發送指令，并將指令先傳送給云服務器，然后云服務器將收到的指令進行轉發，進而控制智能家居設備。這樣便實現了對智能家居設備的遠程實時監測及控制的操作，也充分發揮了微信小程序成本低廉、使用流暢以及打開率更高的優勢[6]。

本系統中微信小程序的主界面包含“設備詳情”“數據記錄”“我的家居”以及“一鍵智能”4個版塊。首次登陸時，用戶可以對不同的家居設備進行相應的添加操作，添加完成后，微信小程序可實時監控所添加設備的情況，并能夠遠程操控，形成方便、快捷、高效的管理模式[11]。并且微信小程序可以對設備的歷史工作狀態進行存儲，方便用戶隨時查看和分析。當用戶啟動“一鍵智能”操作后，設備可依據環境的變化自動啟動或關閉。例如，當溫度超過閾值時，家里的空調可以自動打開并設置在預定的模式。當然溫濕度的閾值和設備啟動后的模式可以由用戶自定義，這也體現了本系統人性化的特點。

4 系統運行與測試

本系統測試方案由按鍵功能測試、自動調節測試以及遠程控制命令測試3部分組成。按鍵功能測試是在按下按鍵后通過觀察LCD顯示屏上的可設置參數是否發生改變來判斷該部分是否正常工作。按下設置鍵后，LCD顯示系統進入設置界面，隨后按下加或減按鍵可以觀察到顯示屏上的閾值發生了相應改變。最終再次按下按鍵退出設置并返回主界面。自動調節測試有改變環境溫濕度和修改閾值兩種方法，本系統采用修改閾值的方式。根據顯示屏上的溫濕度調整閾值，使當前溫濕度超出閾值范圍，此時風扇啟動且預警燈亮。遠程控制命令測試是在微信小程序上發送指定的命令，觀察下位機是否接收并執行命令，以此來判斷該部分功能是否正常。發送打開風扇的命令后，風扇啟動；發送關閉風扇的命令后，風扇關閉。同理，給步進電機和指示燈下發相應的命令，測試結果顯示相關功能均正常。通過以上3部分測試后發現，系統運行穩定且功能正常。

由于面板壩輸水建筑物要在偶發工況或相當長一段時間才有機會使用，有些問題不能及時暴露，一旦發生將導致工程安全運用的風險，所以，要及時總結高面板壩工程建設和運行中出現的問題，取得相關經驗，為提高認識和采取有效措施提供借鑒。

5 結 論

本系統采用了DHT11溫濕度傳感器來采集數據，使用STC89C52單片機作為控制中心來處理數據，并使用ESP8266 WiFi模塊收發信息，利用云服務器將設備控制端與智能設備終端聯系起來，達到遠程監控的目的。經過測試，該系統具有實時性和穩定性，并且使用方便快捷，還具有可遠程操控和成本親民等優點，在改善家居條件和提高居民生活水平方面發揮了積極的作用。