基于Contiki 的信息機房溫濕度控制系統

摘要：文章基于Contiki操作系統和STM32F407處理器設計并實現了一種信息機房溫濕度控制系統。該系統能夠實時采集和處理溫濕度數據，并自動控制空調和加濕器，有效穩定機房環境。實驗結果驗證了系統的實時性和有效性。

關鍵詞：溫濕度控制；Contiki；實時監控；STM32F407；信息機房；嵌入式系統

中圖分類號：TP308 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）05-0041-03 開放科學（資源服務） 標識碼（OSID） ：

0 引言

對于現代信息機房、倉庫、冷庫、醫療場所以及生產車間等環境，不僅需要實時監測溫濕度，還需要具備自動調控能力，以確保設備、人員和物品始終處于適宜的環境中[1-2]。然而，目前許多系統僅支持溫濕度監測功能，缺乏自動調控機制，無法在溫濕度偏離設定范圍時迅速采取調整措施，這導致環境條件無法及時修正，影響設備運行穩定性和物品存儲質量。為彌補這一不足，亟須設計一種具備溫濕度監測和自動控制能力的系統[3-4]。

Contiki操作系統作為開源、多任務、低資源占用的嵌入式操作系統，專為聯網嵌入式設備和無線傳感器網絡而設計，具有極高的硬件適配性和擴展性，是構建智能溫濕度監控與調控系統的理想選擇。Con?tiki的優勢在于其低資源占用和廣泛的硬件支持，能夠滿足資源受限的嵌入式應用需求，尤其適用于基于傳感器網絡的環境監控系統[5]。因此，本文基于STM32F407處理器平臺，利用Contiki操作系統設計并實現了一種溫濕度控制系統，能夠實時采集溫濕度數據，在參數超出設定范圍時發出告警，并通過自動調節功能將溫濕度恢復至可接受范圍內，實現了環境條件的智能化監測與控制。

1 硬件系統設計

本文所采用的硬件平臺集成了多功能嵌入式系統，其核心處理器為ARM Cortex-M4 架構的STM32F407，主頻高達168 MHz，具備1 MB Flash存儲器和192 KB SRAM，能夠支持復雜任務的實時處理和多種外設的連接。平臺設計包含多種關鍵硬件模塊，以滿足系統運行和功能擴展的需求。

平臺配備了一塊2.8英寸真彩LCD液晶顯示屏，分辨率為240像素×320像素，支持16位真彩顯示，采用SPI接口與STM32F407處理器連接。顯示屏用于實時顯示溫濕度數據、系統狀態及告警信息，同時通過GPIO控制屏幕背光亮度，提升用戶交互體驗。環境數據采集由板載HTU21D高精度溫濕度傳感器實現，該傳感器支持I2C通信，與處理器的I2C接口直接連接，可提供分辨率高達12/14位的濕度和溫度數據，測量精度分別為±2% RH和±0.3°C。此外，傳感器支持低功耗模式切換和電量檢測，確保在不同環境下的穩定運行。

平臺還集成了W25X64存儲器，用于數據存儲和系統日志記錄。該存儲器為64 Mbit Flash類型，采用SPI接口與處理器通信，具有32 768個可編程頁（每頁256字節） 和多級擦寫功能，其低功耗特性和小體積設計非常適合嵌入式應用場景。系統的狀態指示和告警通過RGB 三色高亮LED 指示燈和蜂鳴器實現。RGB LED采用PWM信號控制，可組合呈現多種顏色以表示不同的狀態信息；蜂鳴器則通過PWM輸出不同頻率的聲音，用于事件提醒。

硬件系統通過STM32F407處理器作為核心，如圖1所示，采用標準化的總線結構和GPIO接口實現各組件的連接：HTU21D傳感器通過I2C總線連接，實現溫濕度數據采集；W25X64存儲器通過SPI接口與處理器通信，用于數據存儲；2.8英寸LCD屏幕采用SPI接口連接，同時通過GPIO控制背光；RGB三色LED和蜂鳴器則分別通過PWM信號控制，實現系統狀態指示和告警功能；電源管理模塊通過I2C接口與處理器通信，提供電池狀態監測和充放電管理。此外，平臺提供多種擴展接口（如UART、RS485和ADC） 連接外部設備，支持工業應用和多功能擴展。

2 軟件系統設計

在典型配置下，Contiki操作系統僅占用約2 KB 的RAM和40 KB的Flash存儲器，其資源需求非常低，適用于資源受限的嵌入式設備。作為一款開源操作系統，Contiki基于BSD許可協議發布，允許用戶自由修改和分發，無須支付版權費用，這為開發溫濕度控制系統提供了良好的基礎。Contiki支持動態加載程序，并通過輕量級線程模型共享任務棧以節省RAM。其可選功能包括任務搶占、事件通信機制和GUI子系統，提升了系統的靈活性和功能性。嵌入式系統通常通過死循環運行，而Contiki內核采用事件驅動模式，將執行權交給觸發事件的進程以完成任務。本文設計的溫濕度測量系統中，測量應用功能以進程的形式實現，并將其設置為自啟動進程。在啟動系統之后，第一步是初始化硬件（如串口與時鐘） ；第二步是啟動系統進程與自啟動進程；第三步是通過死循環調用Temp_Hum_run（）函數。事件處理過程中，按照進程的優先級執行所有進程。該流程的代碼如下所示，展示了Temp_Hum_run（）函數的調用過程[6]。

int main（）{

/*初始化操作，分別為時鐘與進程*/

clock_init（）;

process_init（）;

/*啟動進程，分別為系統進程與自啟動進程*/

process_start（amp;etimer_process， NULL）;

autostart_start（autostart_processes）;

/*死循環，調用Temp_Hum_run（）函數*/

while（1）{

Temp_Hum_run（）; //溫濕度控制系統

if（poll_requested）{

do_poll（）;

}

do_event（）;

}

return 0;

}

溫濕度控制系統的功能結構如圖2所示。系統整體功能由多個模塊組成，每個模塊協同工作以實現對環境溫濕度的實時監測和控制。

1） 溫濕度采集模塊：負責采集環境中的溫度和濕度數據。該模塊通過傳感器獲取的原始數據可能受到外部噪聲影響，因此需要進行信號處理。

2） 濾波去噪模塊：采用擴展卡爾曼濾波算法，對采集到的溫濕度數據進行濾波處理，去除外部干擾，確保后續控制模塊使用的為精確的環境參數。

3） 控制模塊：根據溫濕度數據與設定的目標值進行對比，啟動相應的控制設備以維持環境的適宜性。

① 空調控制：當溫度偏離設定范圍時，控制空調設備調節室溫。

② 加濕器控制：當濕度低于設定值時，啟動加濕器進行濕度調節。

4） 存儲與管理模塊：支持對歷史溫濕度數據的存儲、讀取和刪除等操作。通過該模塊，用戶可以將當前數據保存至W25X64存儲器，便于后續分析或記錄留存。

5） 溫濕度告警模塊：當溫濕度數據超出設定的安全范圍時，系統會發出告警信號，以便及時采取措施。

3 實驗

為全面驗證機房溫濕度控制系統的功能與可用性，本實驗在標準環境條件下進行了多項測試，詳細記錄了初始設置、系統運行表現以及實驗數據分析。

3.1 實驗初始設置

實驗在模擬機房環境中進行，環境初始溫度設置為23°C，相對濕度為50%。實驗空間內模擬了多種情況，如溫度逐漸升高（至30°C） 和濕度增加（至75%） ，以測試系統在不同環境變化下的性能。硬件系統接入電源，處理器STM32F407初始化并加載程序，HTU21D 溫濕度傳感器開始實時采集數據。W25X64存儲器用于存儲溫濕度數據，系統通過2.8英寸LCD屏實時顯示當前環境參數，同時預留RGB指示燈和蜂鳴器用于告警信號的顯示與提示。

3.2 實驗數據與交互功能

3.2.1 實時數據采集與展示

在實驗過程中，系統以每秒1次的頻率采集溫濕度數據。數據顯示清晰、響應迅速，能夠在環境溫濕度發生變化時實時更新屏幕參數（如圖3所示） 。當溫濕度超出設定范圍（例如溫度＞28°C或濕度＞70%） ，系統觸發蜂鳴器警報，同時RGB指示燈變為紅色閃爍狀態。

3.2.2 數據管理功能測試

實時數據保存功能：用戶按下“保存”按鈕后，當前采集到的溫濕度數據被準確存儲至W25X64存儲器。通過多次隨機驗證，數據寫入時間小于200 ms，數據完整無誤。

歷史數據讀取功能：實驗模擬了3組數據的存儲與讀取操作。通過按下“讀取”按鈕，系統成功從存儲器中讀取對應的歷史數據并在LCD屏上逐條顯示，讀取速度約為150 ms/條。

數據刪除功能：按下“刪除”按鈕后，存儲器內的歷史數據被迅速清空，經過驗證，存儲空間完全釋放，無殘留數據。

3.3 數據分析與系統評價

在模擬的溫濕度變化過程中，系統能夠在極端環境（如溫度30°C、濕度75%） 下正常運行，采集數據與實際參數誤差小于±0.2°C和±1% RH，符合設計精度要求。系統交互功能表現穩定，用戶操作響應時間低于300 ms，操作體驗良好。

系統的實時數據采集、存儲與管理功能運行可靠，證明其在實際應用中能夠勝任機房環境溫濕度監測與控制的任務。未來可優化存儲容量并引入遠程數據監控功能，進一步提升系統的適用性和智能化水平。

4 結論

本文基于Contiki嵌入式操作系統設計并實現了一種智能溫濕度控制系統，針對傳統系統僅支持監測功能的局限性，提出了具備實時調控能力的解決方案。系統運行于STM32F407處理器平臺，能夠實時采集并處理環境溫濕度數據，在超出設定范圍時發出告警并自動調控空調和加濕器，實現了智能化的環境調控。此外，系統支持數據存儲、讀取和管理功能，為后續分析提供了可靠依據。實驗結果表明，該系統在多種場景中表現出較高的實時性和可靠性，有效保障了環境溫濕度的穩定性，適用于信息機房、倉庫及生產車間等場景，同時具備良好的擴展能力，可根據需求集成更多傳感器和設備。

盡管系統在功能和性能上取得了顯著進展，但在極端環境下的算法效率、資源占用優化和長期數據存儲能力方面仍有改進空間。未來的研究將集中于優化調控算法、實現多傳感器數據融合并引入機器學習模型，提升系統的精準性和自主調控能力。同時，計劃開發遠程監控功能并與云平臺集成，進一步擴展系統的應用場景。通過這些改進，本系統有望在工業控制、智能家居和智慧城市領域中發揮更大的作用。

參考文獻：

[1] 要楠，趙霞.基于Arduino的智能溫濕度控制系統[J].電子質量，2023（1）：33-36.

[2] 李曼曼，李登延.基于云平臺的溫室溫濕度控制系統設計[J].科技資訊，2024，22（13）：21-23.

[3] 鳳蘭.基于Arduino控制的汽車空調溫濕度控制系統設計[J].微處理機，2023，44（6）：59-62.

[4] 張振興.基于CAN總線的烤房溫濕度控制系統設計[D].邯鄲：河北工程大學，2016.

[5] 王宇航.基于Contiki的無線傳感器云端惡意節點檢測方法[D].成都：電子科技大學，2023.

[6] 蘇鉛坤.無線傳感器網絡文件系統與重編程技術研究[D].成都：電子科技大學，2013.

【通聯編輯：謝媛媛】