一種基于物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺(tái)的恒溫恒濕控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

梁文禎 龔蘭芳 蘇晨茜

一種基于物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺(tái)的恒溫恒濕控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

梁文禎1龔蘭芳1蘇晨茜2

（1.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510635；2.湖南大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410082）

本文提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺(tái)的恒溫恒濕控制器，從處理器、以太網(wǎng)模塊、溫濕度傳感器與I2C接口、繼電器模塊、電流輸出模塊幾方面詳細(xì)介紹該控制器的硬件設(shè)計(jì)。實(shí)際結(jié)果表明：該控制器運(yùn)行效果良好，可靠性高，擴(kuò)展性強(qiáng)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

物聯(lián)網(wǎng)；云服務(wù)平臺(tái)；恒溫恒濕控制器

恒溫恒濕控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的工作廠房車(chē)間、展覽館、檔案館、實(shí)驗(yàn)室等場(chǎng)所。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展，各行業(yè)的科技水平與生產(chǎn)要求越來(lái)越高，尤其是要求保持恒定的室內(nèi)溫度與濕度來(lái)滿(mǎn)足高工藝要求［1］。恒濕恒濕控制系統(tǒng)主要由控制器、加熱器、加濕器和表冷器組成［2］。加熱器的主要作用是對(duì)冷空氣的預(yù)熱及再熱；加濕器主要對(duì)空氣進(jìn)行加濕處理；表冷器主要作用是對(duì)空氣進(jìn)行降溫處理，兼顧除濕功能。恒溫恒濕系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需要考慮到室內(nèi)熱、濕負(fù)荷和室外氣溫條件的變化。為了實(shí)現(xiàn)該目的，工程人員往往需要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間來(lái)研究被控對(duì)象的模型。本文設(shè)計(jì)一種恒溫恒濕控制器，利用PID算法與模糊算法來(lái)控制溫、濕度值，并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺(tái)，利用手機(jī)APP軟件實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測(cè)量與遠(yuǎn)程控制的功能。

1 系統(tǒng)總體方案

恒溫恒濕控制系統(tǒng)由控制器、溫濕度傳感器、加熱器、加濕器、降溫器、降濕器、物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)器以及手機(jī)APP組成?？刂破饔商幚砥?、繼電器模塊、以太網(wǎng)模塊、I2C接口、指示燈、蜂鳴器、帶觸摸的液晶屏及4～20mA電流輸出模塊組成?？刂破鲝臏亍穸葌鞲衅髯x取溫、濕度值，經(jīng)過(guò)PID算法與模糊算法復(fù)合計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果控制加熱器、加濕器、降溫器與除濕器的運(yùn)行時(shí)間與停止時(shí)間，實(shí)現(xiàn)恒定室內(nèi)溫度與濕度的功能。控制器將當(dāng)前溫度值與濕度值轉(zhuǎn)換成電流值，通過(guò)4～20mA電流輸出模塊輸出給其他設(shè)備?？刂破鲗?dāng)前溫度值、濕度值、繼電器閉合時(shí)間與斷開(kāi)時(shí)間、PID算法與模糊算法的參數(shù)值等數(shù)據(jù)通過(guò)液晶屏展示出來(lái)，用戶(hù)可以通過(guò)觸摸屏修改這些數(shù)據(jù)。同時(shí)，控制器將這些數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)模塊上傳到物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)器。用戶(hù)利用手機(jī)APP登錄物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)器，遠(yuǎn)程查看系統(tǒng)當(dāng)前的各種數(shù)據(jù)，也可以利用手機(jī)APP遠(yuǎn)程調(diào)整PID算法與模糊算法的參數(shù)值，并上傳到云服務(wù)器。云服務(wù)器將算法的參數(shù)值推送到控制器，控制器利用最新的算法參數(shù)值實(shí)現(xiàn)恒溫恒濕功能。

2 控制器硬件設(shè)計(jì)

2.1 處理器

控制器需要4個(gè)I/O引腳控制繼電器、5個(gè)SPI接口的網(wǎng)絡(luò)芯片、7個(gè)I/O引腳控制DAC芯片與觸摸芯片、2個(gè)I/O引腳控制指示燈、1個(gè)I/O引腳控制蜂鳴器、2個(gè)I/O引腳控制I2C接口的溫濕度傳感器、21個(gè)I/O引腳控制液晶屏，合計(jì)需要42個(gè)I/O引腳。因此，選用基于ARM Cortex-M3 內(nèi)核的 32位微控制器 STM32F103RBT［3］。其運(yùn)行速度快，工作頻率可以達(dá)到72MHz；擁有49個(gè)I/O引腳、20K SRAM、128K FLASH、2個(gè)可工作在主從模式的SPI串行接口、7通道的DMA控制器；具有硬件乘除部件，可實(shí)現(xiàn)單周期乘法和除法運(yùn)算。這些豐富的外圍配置，大大降低了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成本，縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間。

2.2 以太網(wǎng)模塊

系統(tǒng)選用WIZnet公司生產(chǎn)的W5500。W5500擁有8個(gè)獨(dú)立端口Socket同時(shí)通訊，集成了TCP/IP協(xié)議棧，支持TCP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP及PPPoE協(xié)議，內(nèi)嵌32K字節(jié)片上緩存以供以太網(wǎng)包處理，支持10/100M以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層（MAC）及物聯(lián)層（PHY）。W5500支持高達(dá)80MHz的SPI接口，更加容易與外設(shè)MCU整合，更好地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊的調(diào)整。為了減少系統(tǒng)能耗，W5500提供了網(wǎng)絡(luò)喚醒模式及掉電模式供客戶(hù)選擇使用。

2.3 溫濕度傳感器與I2C接口

系統(tǒng)選用SHT11作為溫濕度傳感器。SHT11包括一個(gè)電容性聚合體測(cè)濕敏感元件、一個(gè)用能隙材料制成的測(cè)溫元件，并在同一芯片上，與14位的A/D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，具有品質(zhì)卓越、響應(yīng)迅速、抗干擾能力強(qiáng)、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。I2C接口電路需要具有過(guò)流保護(hù)、電源防反接等功能，且要具有一定電氣隔離和保護(hù)的通訊接口。如圖1所示，電路選用0.5A自恢復(fù)保險(xiǎn)絲F2，實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)功能；當(dāng)向傳感器流出電流過(guò)大時(shí)，保險(xiǎn)絲F2自動(dòng)斷路；當(dāng)傳感器恢復(fù)正常時(shí)，保險(xiǎn)絲F2自動(dòng)通路。電路選用整流二極管D7，利用二極管的單向?qū)ㄐ詫?shí)現(xiàn)電源防反接功能。電路選用電阻R17和R18，實(shí)現(xiàn)一定電氣隔離功能。電路選用2路雙向TVS管并聯(lián)I2C通訊引腳，實(shí)現(xiàn)一定電氣保護(hù)功能；當(dāng)通訊引腳存在過(guò)壓現(xiàn)象時(shí)，TVS管導(dǎo)通而降低引腳的電壓；當(dāng)通訊引腳恢復(fù)正常時(shí)，TVS管截止。

圖1 I2C接口電路

2.4 繼電器模塊

系統(tǒng)選用歐姆龍G5SB-14-24VDC繼電器，其電路如圖2所示。在繼電器的公共輸出腳與常開(kāi)腳之間并聯(lián)TVS管。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，當(dāng)繼電器進(jìn)行閉合與斷開(kāi)動(dòng)作時(shí)，具有良好的滅弧作用。在繼電器的線圈兩端并聯(lián)反接整流二極管D3，當(dāng)線圈斷電時(shí)，起到續(xù)流作用。在繼電器的線圈兩端并聯(lián)電阻R4與發(fā)光二極管DS2，當(dāng)繼電器閉合時(shí)，發(fā)光二極管亮；當(dāng)繼電器斷開(kāi)時(shí)，發(fā)光二極管滅，起到繼電器動(dòng)作指示作用。在三極管的基極并聯(lián)電路R6，可以穩(wěn)定基極的電平，當(dāng)處理器復(fù)位或異常時(shí)，基極電平為低電平，繼電器保持?jǐn)嚅_(kāi)狀態(tài)，外部加熱器等設(shè)備處于停止工作狀態(tài)，不會(huì)亂工作。

圖2 繼電器電路

2.5 電流輸出模塊

系統(tǒng)選用金升陽(yáng)F2424S-2WR2作為電源隔離，輸出24VDC用于電流輸出的電源，因此，電流輸出支持兩線制接法。同時(shí)，利用L7805輸出5VDC給DAC芯片供電。金升陽(yáng)F2424S-2WR2模塊具有可持續(xù)短路保護(hù)、工作溫度范圍為-40～+105℃、效率高達(dá)86%、功率密度高、小型SIP封裝、隔離電壓3 000VDC等特點(diǎn)。根據(jù)手冊(cè)的設(shè)計(jì)參考，電容C20與C22能進(jìn)一步減少輸入輸出紋波；電容C21、C19與電感LH3組成的電路具有一定的EMC功能，如圖3所示。

圖3 電源隔離電路

3 控制器軟件設(shè)計(jì)

控制器程序基于uC/OS操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，建立三個(gè)任務(wù)，分別是以太網(wǎng)通訊任務(wù)，溫、濕度采集任務(wù)與液晶屏GUI界面任務(wù)。主程序先對(duì)所有硬件初始化，包括指示燈、蜂鳴器、繼電器、I2C、SPI、液晶屏等；接著對(duì)uC/OS操作系統(tǒng)初始化，創(chuàng)建三個(gè)任務(wù)，啟動(dòng)uC/OS操作系統(tǒng)，系統(tǒng)對(duì)三個(gè)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，如圖4所示。以太網(wǎng)通訊任務(wù)用于與物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊，先對(duì)以太網(wǎng)接口引腳進(jìn)行硬件初始化，設(shè)置IP地址、子網(wǎng)掩碼、默認(rèn)網(wǎng)關(guān)等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，再將控制器的所有數(shù)據(jù)上傳到物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)器，如圖5所示。溫、濕度采集任務(wù)主要是采集溫、濕度值，并進(jìn)行PID算法和模糊算法，根據(jù)算法結(jié)果控制繼電器的閉合時(shí)間與斷開(kāi)時(shí)間。

圖4 控制器主程序的流程圖

圖5 網(wǎng)絡(luò)通信任務(wù)的流程圖

4 物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺(tái)的測(cè)試

物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺(tái)的測(cè)試包括網(wǎng)站、手機(jī)APP軟件及控制器三大部分的測(cè)試。網(wǎng)站和手機(jī)APP軟件均可以顯示控制器溫、濕度值的歷史變化曲線，并修改控制器上PID算法與模糊算法的參數(shù)值。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的恒溫恒濕控制器先讀取傳感器的溫度值與濕度值，再執(zhí)行PID算法和模糊算法，根據(jù)算法結(jié)果控制繼電器的閉合時(shí)間與斷開(kāi)時(shí)間，然后將控制器的所有數(shù)據(jù)顯示到液晶顯示屏上，并上傳到物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)器。用戶(hù)可以在帶觸摸的液晶屏、網(wǎng)站與手機(jī)APP軟件上修改PID算法和模糊算法的參數(shù)。實(shí)際結(jié)果表明：該控制器運(yùn)行效果良好，可靠性高，擴(kuò)展性強(qiáng)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

［1］王永斌.高精度恒溫恒濕空調(diào)最佳控制方法研究［J］.科研，2016（8）：122-122.

［2］張亮.曖通空調(diào)的恒溫恒濕設(shè)計(jì)［J］.科技視界，2016（20）：82，101.

［3］梁文禎.基于以太網(wǎng)的LED點(diǎn)陣顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2012（7）：41-42．

Design and Implementation of Unit for Constant Temperature and Humidity Base on Internet of Things Cloud Service Platform

Liang Wenzhen1Gong Lanfang1Su Chenxi2
（1.Guangdong Polytechnic of Water Resources and Electric Engineering，Guangzhou Guangdong 510635；2.Hunan University，Changsha Hunan 410082）

This paper introduced a unit for constant temperature and humidity base on Internet of Things Cloud Service Platform.The hardware design of the controller was described in detail in terms of proces?sor,Ethernet module,temperature and humidity sensor,I2C interface,relay module and current output mod?ule.It has been proved that the system could works well,had high reliability,strong expansibility and meets the design requirements in practice.

internet of things；cloud service platform；constant temperature and humidity controller

TP393

A

1003-5168（2017）10-0033-03

2017-09-01

廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院“創(chuàng)新強(qiáng)校工程”項(xiàng)目“一種通用型物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺(tái)——以智能家居為例”（cxz07）。

梁文禎（1984-），男，碩士，講師，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式技術(shù)以及自動(dòng)化控制技術(shù)；龔蘭芳（1976-），女，碩士，副教授，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式技術(shù)以及自動(dòng)化控制技術(shù)。