高精度室內(nèi)溫濕度控制系統(tǒng)的設(shè)計

［摘 要］工業(yè)及家用環(huán)境下，對溫濕度的控制都很重要，為了解決傳統(tǒng)溫濕度采集和控制智能化程度不高、人工參與較多、無法大范圍大面積推廣的問題，文章提出一種高精度室內(nèi)溫濕度控制系統(tǒng)，可遠(yuǎn)程實時控制并解決上述問題。

［關(guān)鍵詞］實時控制；遠(yuǎn)程；自動

［中圖分類號］TU831 ［文獻標(biāo)志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）04–0001–03

工業(yè)應(yīng)用中，室內(nèi)環(huán)境的溫濕度可能直接影響設(shè)備的工作狀態(tài)，溫度過高或過低、濕度過高或過低都可能會導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生故障。而在日常生活中，室內(nèi)環(huán)境的溫濕度會直接影響人們的生活標(biāo)準(zhǔn)，甚至影響身體健康。

目前常用溫濕度的采集和控制方法智能程度不高，一般是采用單點檢測或多點檢測，人為觀察且手動控制，不僅耗費人力，還很難實現(xiàn)對溫濕度的實時控制以及大面積不同地點的適應(yīng)性控制。

1 高精度室內(nèi)溫濕度控制系統(tǒng)組成

文章所提出的高精度室內(nèi)溫濕度控制系統(tǒng)，通過在所需進行溫濕度控制的空間內(nèi)，多點放置溫濕度傳感器以及溫濕度調(diào)節(jié)裝置，如空調(diào)、抽濕機、加濕器等，多方位同時調(diào)節(jié)該空間內(nèi)的溫濕度。

溫濕度控制系統(tǒng)包括多組溫濕度采集單元、多組溫濕度調(diào)節(jié)單元和上位機。

上位機具有溫濕度預(yù)設(shè)存儲單元、對比單元及執(zhí)行單元，并電連接有人機交互裝置，人機交互裝置是可用于輸入目標(biāo)溫濕度參數(shù)的鍵盤和用于操作人員監(jiān)控的顯示器，通過對目標(biāo)溫濕度的參數(shù)進行調(diào)節(jié)，以滿足不同的生產(chǎn)生活需求。上位機還電連接有智能終端實現(xiàn)信息實時同步。隨著目前手機普及率及使用頻率的升高，其可利用手機App 實現(xiàn)智能控制。上位機還設(shè)有報警裝置。當(dāng)調(diào)節(jié)單元或溫濕度采集單元出現(xiàn)故障，均會產(chǎn)生報警信號，啟動報警裝置。

每組溫濕度采集單元包括MCU 控制器、至少1個溫濕度傳感器、I2C 通信模塊，每個溫濕度傳感器通過I2C 通信模塊與MCU 控制器電連接。MCU 控制器通過無線通信模塊與上位機電連接。

溫濕度調(diào)節(jié)單元，一般為空調(diào)、抽濕機和加濕器。

溫濕度傳感器用于采集其所在位置的溫濕度信息，此處的溫濕度傳感器不止1 個，I2C 通信模塊實現(xiàn)溫濕度傳感器和MCU 控制器之間的通信，將1個或者多個溫濕度傳感器采集的溫濕度初始值傳至MCU 控制器；MCU 控制器通過接收1 個或者多個溫濕度傳感模塊的溫濕度值，并將該值進行優(yōu)化處理，例如，測算平均值，即去掉最大值和最小值后測算平均值等，然后通過無線通信模塊傳至上位機；當(dāng)某個數(shù)據(jù)超出誤差范圍發(fā)生異常時，也會將報警信號傳至上位機，上位機通過接收多個MCU 控制器發(fā)送的溫濕度信息，對各個溫濕度信息及溫濕度傳感器所在的位置信息分別顯示，且通過預(yù)設(shè)存儲單元內(nèi)的溫濕度要求與實際溫濕度信息進行對比判斷，執(zhí)行單元通過無線通信對空調(diào)、除濕機和加濕器進行PID 控制，從而實現(xiàn)對廠房內(nèi)或室內(nèi)的溫度和濕度的遠(yuǎn)程控制。

高精度室內(nèi)溫濕度控制系統(tǒng)原理如下。

（1）通過多個溫濕度傳感器分別對相應(yīng)位置的溫濕度信息進行采集，并記錄多個溫濕度傳感器所在的位置。

（2）每組溫濕度信息通過I2C 通信傳送給相對應(yīng)的MCU 控制器，并通過MCU 控制器對溫濕度信息進行處理，并增加相應(yīng)的位置信息，并通過無線通信模塊傳輸至上位機。

（3）上位機通過對不同點位的溫濕度信息進行判斷，并和該環(huán)境所需的理想溫濕度進行對比，從而對不同位置的空調(diào)、除濕機和加濕器進行PID 控制，從而實現(xiàn)檢測環(huán)境溫濕度的自動控制。該控制系統(tǒng)原理如圖1 所示。

2 主要模塊介紹

2.1 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器選用SHT3x，其實物如圖2 所示。具有精度高、方便進行電路設(shè)計、可I2C 通信等優(yōu)點。

SHT3x 濕度和溫度傳感器基于CMOSens? 傳感器芯片，更加智能、可靠，精度更高。具有增強的信號處理能力、兩個獨特的用戶可選I2C 地址，通信速度高達(dá)1MHz。相對濕度（RH）精度為±1.5%，典型溫度精度為±0.1℃。具有2.5mm×2.5mm×0.9mm（長× 寬× 高）占位面積，電源電壓范圍為2.4～5.5 V。

2.2 MCU控制模塊

為將傳感器數(shù)據(jù)傳遞至上位機， 給每個溫濕度傳感器配備MCU 控制器， 可采用I2C 通信，將溫濕度傳感器的溫濕度發(fā)送至該溫濕度傳感器的MCU 控制器， 為了實現(xiàn)多點無線測量，MCU 控制器和上位機之間采用無線通信模塊進行通信。

控制器選擇單片機作為控制芯片，通過I2C 接收溫濕度傳感器的溫濕度信息，并將該信息進行解析，通過串口轉(zhuǎn)無線模塊，將該溫濕度信息發(fā)送至上位機，并在自身顯示屏上顯示。MCU 控制模塊及傳感器實物如圖3 所示。

每個MCU 控制器對同組內(nèi)的溫濕度傳感器的采集信息進行統(tǒng)計、計算，并對位置信息進行編號。編號使得無論哪組溫濕度采集單元出了問題，都能夠快速的判斷故障源，方便檢修。

每組溫濕度采集單元至少包括3個溫濕度傳感器。當(dāng)設(shè)置的溫濕度傳感器大于等于3 個時，MCU 控制器可對3 個溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)進行判斷篩選，去掉溫度、濕度數(shù)據(jù)的最大值和最小值，其余溫度、濕度數(shù)據(jù)截取平均值傳輸至上位機，且當(dāng)某組數(shù)據(jù)異常，超出設(shè)定的誤差范圍時，MCU 控制器也會將報警信號傳輸至上位機，以有效防止溫濕度傳感器損壞后的誤判行為。

2.3 上位機

溫濕度調(diào)節(jié)的核心單元為上位機，其可實現(xiàn)收集多個傳感器的溫濕度信息，并通過建模分析，對各個溫濕度調(diào)節(jié)單元下發(fā)調(diào)節(jié)指令，為了更加方便使用，上位機還電連接人機交互裝置，其包括用于輸入目標(biāo)溫濕度參數(shù)的鍵盤和用于操作人員監(jiān)控的顯示器。上位機顯示界面如圖4 所示。

3 高精度室內(nèi)溫濕度控制系統(tǒng)優(yōu)點

文章所述遠(yuǎn)程分布式溫濕度自動控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點。

（1）可同時遠(yuǎn)程采集多個分布式點位溫濕度信息，并通過上位機進行集中顯示和處理。不同于常規(guī)的分別對單點溫濕度信息采集，遠(yuǎn)程分布式控制系統(tǒng)可有效分析各個點位的溫濕度信息，從而對整個檢測環(huán)境實現(xiàn)更加有效的控制。

（2）可遠(yuǎn)程自動控制多組溫濕度調(diào)節(jié)單元，通過對不同點位的溫濕度信息進行判斷，并通過對比不同溫濕度采集點和不同溫濕度調(diào)節(jié)單元的位置信息，對檢測環(huán)境進行溫濕度控制，相較于傳統(tǒng)的同時控制，更加節(jié)能，同時有效避免了局部溫濕度不達(dá)標(biāo)的情況。

（3）不同位置的溫濕度可根據(jù)不同需求進行調(diào)節(jié)，且可人工輸入不同位置的目標(biāo)溫濕度參數(shù)。

（4）每組溫濕度采集單元設(shè)置多個溫濕度傳感器，可有效防止溫濕度傳感器異常，避免生產(chǎn)、生活受到負(fù)面影響。

（5）穩(wěn)定性好、可靠性高，可廣泛應(yīng)用到智能家居領(lǐng)域以及工業(yè)生產(chǎn)中。

4 結(jié)束語

通過對傳感器的選型、MCU 電路的設(shè)計、上位機的界面設(shè)計、傳感器的布局設(shè)計進行分析，并結(jié)合理論計算，實現(xiàn)了溫濕度的遠(yuǎn)程控制。本系統(tǒng)已過多場景現(xiàn)場調(diào)試，系統(tǒng)穩(wěn)定性及精度得到了驗證，后期可批量的應(yīng)用。

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