室内温湿度监测系统的设计

室内温湿度监测系统的设计

卢武

身份证号码： 46002219700701****

摘要：本系统的设计是基于STC51单片机和无线通信技术来实现对室内温湿度的远程监测，最终可实现在云平台(含手机端)上在线显示实时的室内温度湿度值。本设计由硬件设计和软件设计两部分组成，硬件设计在满足系统的功能需要上完成电源电路、复位电路、CH340电路及STC51单片机的集成；软件设计主要完成STC51单片机程序和云平台的参数及界面设计；其中STC51单片机程序能够实现对DHT11传感器的温湿度值的采集，并通过WiFi模块将该数据以特定的上报格式，无线传输至云平台；云平台的设计需要满足与WiFi模块建立无线连接，并实现温湿度值在云端及手机端的显示。

关键词：STC51；无线通信技术；温湿度监测；云平台

引言

目前随着人们生活质量的不断提高，对室内工作或生活的环境温湿度的关注也相应提高。由于室内环境质量的优劣与健康均有着密切的关系，在温湿度不宜的情况下长时间工作或生活会对人体造成危害，所以为了满足工作或生活环境的舒适和个人身体健康，有必要实时监测室内的温湿度值。

梁晓雄等^[1]设计了以51单片机为核心的无线温湿度检测系统，实现对信号的采集、转换、处理、无线发送、无线接收、处理和显示；李志伟等^[2]结合DHT11与AT89C52单片机来设计温湿度监控系统；陈建威^[3]设计的室内无线环境监测系统以单片机为控制核心，传感器采集的数据由发送端单片机处理发送给无线模块,再发送给接收端单片机,最后由液晶模块显示；马振兴等^[4]以STM32单片机作为主控来设计一种室内空气质量检测器，不仅可以监测室内温度及湿度数据，还可以监测其他有害气体，并通过触摸液晶屏将数据显示出来；王驰等^[5]利用无线通信、传感器、单片机等技术设计一款室内空气温湿度检测系统，单片机处理并保存采集到的数据，并通过蓝牙设备实时上传到手机界面；李佳怡^[6]设计了基于单片机的室内环境多参数监测系统，采用DHT11传感器实现对温度、湿度的检测,由单片机AT89C51对采集的数据进行分析处理并显示。

综合以上研究成果，本系统的设计是基于STC51单片机和无线通信技术来实现对室内温湿度的远程监测，以实现在云平台(含手机端)上在线显示实时的室内温度湿度值。

1系统设计

室内温湿度监测系统主要用以实时在线监测室内工作或生活环境的温湿度值，并可实现远程云端或手机端的在线监测，所以需要使用的技术有：单片机控制技术、无线通信技术以及云平台的应用。为了实现本系统的具体功能，设计该系统主要由四个部分来组成：温湿度采集模块、控制模块、WiFi模块、云平台，见图一所示。

图一 系统整体框架

其中温湿度采集模块采用DHT11传感器来进行数据采集；控制模块由电源电路、复位电路、CH340电路及STC51单片机组成；WiFi模块采用由安信可科技公司开发的 ESP-12F；云平台使用阿里云生活平台。

本设计由硬件设计和软件设计两部分组成。首先设计系统的总体电路，完成电源电路、复位电路、CH340电路及STC51单片机的集成；设计单片机的编程，实现对温湿度传感器的数据采集及上报阿里云；配置完成WIFI模块的参数，建立WIFI模块与阿里云之间的无线数据传输；设计完成阿里云平台参数与界面设置，以实现手机端对温湿度值的远程监测；最后进行整体连线并完成调试。

2硬件设计

系统的硬件部分主要完成：选择合适的温湿度传感器，完成总体电路板的设计，主要分为：电源电路、复位电路、CH340电路及STC51单片机的集成，实现各个电路的相应功能。

总体电路板由USB接口直接供电；电源电路可为系统和单片机提供5V和3.3V电压；CH340电路实现通过USB接口完成单片机串口烧录程序及WIFI模块参数的配置。

2.1 传感器模块

外设使用DHT11采集室内的温湿度数据，并可将采集到的温湿度模拟量转换为数字量，可实现稳定可靠的运行。DHT11可通过单总线数据格式与微处理器进行通讯和同步，实现系统的简易集成。DHT11具有全部校准、数字输出、超长的信号传输距离及超低能耗等特点。

2.2 控制模块

控制模块的微处理器采用STC89C51单片机。STC89C51是属于51单片机系列，包含32个IO口、5个中断和一个串口，其中P3.0为RXD（串行输入口）、P3.1为TXD（串行输出口）。可配合CH340电路将设计好的程序代码下载至单片机内部；可与WiFi模块进行通用异步串行口（UART）通信，实现数据的远程传输至云平台。

2.3 WIFI模块

WiFi模块采用由安信可科技公司开发的ESP-12F，其核心处理器为ESP8266。ESP-12F支持标准的IEEE802.11 b/g/n协议，完整的TCP/IP协议栈。其中ESP8266可通过SPI/SDIO接口或UART接口作为WiFi适配器，可应用于本系统的无线数据通信的设计中，并支持安卓、IOS的Smart Config（APP）/AirKiss（微信）一键配网。

ESP-12F模组有16个接口，其中15、16接口为RXD、TXD，可用于与51单片机建立数据通信，串口速率最高可达4Mbps。

3软件设计

软件设计主要完成STC51单片机程序和云平台的参数及界面设计；其中在STC51单片机程序中要实现对DHT11传感器的数据读取，并以阿里云数据上报的格式，再通过WiFi模块无线传输至阿里云平台；云平台的参数设置可实现与WiFi模块建立无线连接，云平台的界面设计可实现温湿度值在云端及手机端的显示。

3.1程序设计

DHT11没有数据下发处理，只有数据上报，即程序中的update_status()。温湿度的数据值是通过在主函数中调用DHT11_chuli()函数，该函数在调用后将会为两个float型变量赋值，即带小数的值，然后通过上报函数updata_status()将数据值上报至阿里云，从而实现温湿度值在云平台上的显示。

阿里云数据上报函数：该函数使了拼接函数sprintf，将阿里云的上报格式数据拼接进str字符数组中，再通过SendString(1，str)将str字符数组里的内容输送到串口1中，见图二所示。

图二 上报数据函数格式

在函数DHT11_chuli()中，将值赋给一个名为wendu和名为shidu的变量，在DHT11.H文件中并对这两个变量进行定义，而DHT11_chuli()函数则是在DHT11.C文件中，见图三所示。

图三DHT11数据处理函数

3.2 云平台设计

登录阿里云生活物联网平台，进入到项目管理界面，在创建新项目下创建本系统的温湿度产品，于自定义功能处设置的标识符为CurrentTemperature、CurrentHumidity，必须要与单片机的数据上报程序中所用的名称要一致，并选择温湿度的数据类型为float（单精度浮点数型），取值范围设置为0-200，见图四所示。

设计手机端的显示界面，首先需要使用公版APP控制产品，再点击设备面板界面，点击创建面板，进入到人机交互界面，设计完成温湿度的信息条布置。

图四 温湿度属性设置

4调试运行

在完成本系统的硬件设计及软件设计后，将分别进行调试。阿里云平台的设备调试获得三元组信息；单片机与阿里云进行通信调试，判断该程序的上报数据格式是否正确；将目标WIFI的信息及阿里云平台上的四元组信息配置到WiFi模块；最后进行整体调试运行。

4.1阿里云平台的设备调试

进入到阿里云生活平台的设备调试界面，首先需要选择WiFi模块的模组芯片ESP8266，然后点击新增测试设备，确定后生成三元组信息：product_key、device_name、device_secret。保存以上信息，可用于WiFi模块的参数设置并在配网成功下连接上阿里云平台。

4.2单片机与阿里云的数据调试

打开串口调试界面，将电路板的WiFi模块的TXD接入CH340的RXD，WiFi模块的RXD接入CH340的TXD，并在发送缓冲区发送一串阿里云的数据格式，观察接受缓冲区界面是否有数据上报过来。阿里云的数据上报格式为：

{"devno":0,"params":{"CurrentTemperature":66,"CurrentHumidity":128}}，

其中CurrentTemperature、CurrentHumidity为在阿里云生活平台上设置的温度湿度的标识符，然后点击发送数据，接收缓冲区返回：{"code":200}，可代表温湿度数据上报成功，见图五所示。

图五 单片机与阿里云通信

4.3 WIFI模块配置与调试

将WiFi模块的TXD接CH340的RXD，WiFi模块的RXD接CH340的TXD，打开WiFiPro-Setup.exe软件，选择合适的串口号和波特率后；先填入目标WIFI名称及密码，用于WiFi模块的配网；再填写在阿里云平台上通过设置温湿度属性所获得到的四元组信息，分别写入product_key、Product Secret、device_name、device_secret。见图六所示。

图六WiFi模块的配置

4.4 整体调试

先完成C51单片机的程序下载，在WiFi模块配置参数且配网成功之后，将WiFi模块的TXD接入到STC51的RXD0，WiFi模块的RXD接入到STC51的TXD0，最后将DHT11传感器的DATA口连接到单片机的P2.0上，已完成系统的所有外设接线，见图七所示。结果如下：可以阿里云生活云平台上看到该设备已联网上线，并且在手机端（云智能）上可实时显示DHT11所获取的温湿度值。

图七 整体实物接线

5结论

本系统的设计能够实现使用云端或手机端实时在线对室内的温湿度值进行监测，数据的准确度较高；系统的无线通信过程是通过WiFi模块来实现，如在其他环境下应用可考虑4G通讯模块；最后应用阿里云平台来实现远程的温湿度监测，满足数据的在线存储及在线设备告警功能，后期可优化。

参考文献

[1]梁晓雄,范越,黄莉,顾全,徐擎.基于单片机的无线温湿度检测系统设计[J].仪器仪表与分析监测,2021(01):11-13.

[2]李志伟,东伟,黄双成.基于DHT11的农业大棚温湿度监控系统设计[J].工业仪表与自动化装置,2021(01):39-43.

[3]陈建威.室内无线环境监测系统研究[J].花炮科技与市场,2020(03):288.

[4]马振兴,李宁,霍大勇,赵红玉.基于单片机的室内空气质量检测器的设计[J].电子世界,2020(10):119-121+124.

[5]王驰,陈恒,李森,李楠.室内温湿度检测系统设计[J].无线互联科技,2020,17(05):41-42.

[6]李佳怡.基于单片机的室内环境多参数监测系统设计[J].数字技术与应用,2019,37(12):159-160.