冷蒸發(fā)式物聯(lián)網(wǎng)智能加濕器

潘慶華，康偉，馬思炎，彭沖，邴瑩，孫昊

（遼寧工業(yè)大學(xué)，遼寧錦州，121001）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，人類(lèi)社會(huì)不斷進(jìn)步。人們生活水平日益提高，而人們對(duì)生活要求越來(lái)越高，因此智能家居的出現(xiàn)，讓眾多人實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的生活。通過(guò)對(duì)市場(chǎng)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，加濕器的需求在日益增大，現(xiàn)在大部分建筑室內(nèi)供暖方式采用地暖，采暖效果好，但從而引發(fā)了另一個(gè)問(wèn)題：干燥。干燥的空氣具有一定的危害。首先是易造成細(xì)菌的傳播。其次，易造成身體水分過(guò)度流失，感染疾病，加速衰老。而目前，市面上最常見(jiàn)的是超聲波噴霧式加濕器，這種加濕器雖然能快速提高室內(nèi)濕度，但是其也有很多弊端，例如：對(duì)水質(zhì)要求極高且噴出的是水霧可能引發(fā)呼吸系統(tǒng)疾病，從一定程度上影響了人們的健康。而本作品使用的是冷蒸發(fā)加濕的方式[1],規(guī)避傳統(tǒng)加濕器的缺點(diǎn)，可通過(guò)語(yǔ)音和手機(jī)客戶(hù)端等來(lái)對(duì)加濕器進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控及操控。

本文首先介紹冷蒸發(fā)式加濕系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，再對(duì)系統(tǒng)的硬件電路方案進(jìn)行論證，然后對(duì)系統(tǒng)的程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后給出系統(tǒng)的調(diào)試與測(cè)試。

1 整體設(shè)計(jì)方案

整體設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示，機(jī)械部分由電機(jī)提供氣流，加速容器內(nèi)水的蒸發(fā)，讓水蒸氣進(jìn)入到空氣中。電源管理系統(tǒng)由鋰電池，升壓模塊和充電管理模塊組成，給整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行供電，支持內(nèi)置鋰電池工作，鋰電池可由Type-c進(jìn)行充電，且支持邊充電邊工作。

圖1 整體設(shè)計(jì)框圖

溫濕度傳感器、水位傳感器等傳感器，將檢測(cè)得到的信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)I/O 口，由單片機(jī)根據(jù)信號(hào)的變化（即電平的高低）判斷外界環(huán)境的變化，然后根據(jù)內(nèi)部設(shè)定的程序發(fā)出指令，控制機(jī)械部分實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作，并將采集到的相應(yīng)數(shù)值顯示在OLED 顯示屏上[2]。觸摸按鍵、紅外接收模塊、HC-08 低功耗藍(lán)牙模塊、ESP8266WI-FI 模塊，在接收到用戶(hù)發(fā)出的指令后，將相應(yīng)指令的電信號(hào)輸入到單片機(jī)I/O 口，然后單片機(jī)再經(jīng)過(guò)內(nèi)部處理程序，處理完畢后完成相應(yīng)指令。

最后，考慮到細(xì)菌在濾網(wǎng)上滋生的問(wèn)題，可能導(dǎo)致細(xì)菌摻雜在水蒸氣中，隨水蒸氣而拋向空氣中，從而影響用戶(hù)的身體健康[3]，所以增添UV 燈殺菌功能。

2 硬件電路方案論證

■2.1 物聯(lián)網(wǎng)單元方案論證

方案一：采用ESP8266-01 模塊。該模塊共8 個(gè)引腳，引腳數(shù)量較少。其次，其flash 閃存比較小，不能滿(mǎn)足部分物聯(lián)平臺(tái)需求。

方案二：采用ESP8266-12f 模塊。該模塊引腳數(shù)量較多，一般最少是16 個(gè)引腳，I/O 口齊全，而且flash 閃存較大，能滿(mǎn)足物聯(lián)需求。

綜上所述，為滿(mǎn)足物聯(lián)需求，擇優(yōu)選取方案二。

圖2 ESP8266-12f模塊

■2.2 溫濕度采集單元方案論證

圖3 DHT11 傳感器模塊

方案一：采用DHT11 傳感器。DHT11 傳感器包括1個(gè)電阻式感濕元件和1 個(gè)NTC 測(cè)溫元件，并與1 個(gè)高性能8 位單片機(jī)相連接。采用單線(xiàn)制串行接口，使系統(tǒng)連接可以更簡(jiǎn)潔。功耗極低，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20m 以上。DHT11 具有體積小、功耗低、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、控制簡(jiǎn)單、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。

方案二：采用DHT22傳感器。DHT22 也被稱(chēng)為AM2302，具有標(biāo)準(zhǔn)的單總線(xiàn)接口。其相比于DHT11，擁有更高的精度和更大的量程，是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。DHT22 應(yīng)用于專(zhuān)用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，能確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

綜上所述，但考慮到DHT22 傳感器價(jià)格相比于DHT11昂貴許多，故擇優(yōu)選取方案一。

■2.3 水位采集單元方案論證

圖4 ZCT-YOF07液位傳感器

方案一：采用Water Sensor 水位傳感器。Water Sensor 水位傳感器是一款簡(jiǎn)單易用、性?xún)r(jià)比較高的水位/水滴識(shí)別檢測(cè)傳感器，其工作原理是通過(guò)具有一系列的暴露的平行導(dǎo)線(xiàn)線(xiàn)跡測(cè)量其水滴/水量大小從而判斷水位情況。

方案二：采用ZCT-YOF07 液位傳感器。ZCT-YOF07 液位傳感器具有電子封膠，能一定程度上防潮、隔熱，增加了傳感器的使用壽命。其次本傳感器是非接觸柔性液位傳感器，對(duì)被測(cè)環(huán)境要求不高。

綜上所述，由于Water Sensor 水位傳感器感器是接觸式，并且非柔性對(duì)被測(cè)環(huán)境要求極高，故擇優(yōu)選取方案二。

■2.4 顯示單元方案論證

圖5 OLED 0.96 寸顯示屏

方案一：采用LCD1602液晶顯示屏。LCD1602是一種工業(yè)字符型液晶，能夠同時(shí)顯示16×02 即32個(gè)字符。LCD1602 液晶顯示原理是利用液晶的物理特性，通過(guò)電壓對(duì)其顯示區(qū)域進(jìn)行控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形。

方案二：采用OLED 0.96 寸顯示屏。OLED 屏幕作為一種新型的顯示技術(shù)，其自身可以發(fā)光，亮度，對(duì)比度高，功耗低。OLED 0.96 寸顯示屏分辨率為128×64，屏幕尺寸為0.96 寸，除了可以顯示常規(guī)的字符、字母外，還可以顯示漢字。由于其較小的尺寸和較高的分辨率，讓它有著很好的顯示效果和便攜性。

綜上所述，為了擁有更好的交互式體驗(yàn)和更好的的視覺(jué)體驗(yàn)，優(yōu)先選取方案二。

■2.5 按鍵單元方案論證

圖6 TTP223 觸摸按鍵

方案一：采用輕觸開(kāi)關(guān)。輕觸開(kāi)關(guān)是一種常見(jiàn)的電子開(kāi)關(guān)，使用時(shí)只需輕輕點(diǎn)按開(kāi)關(guān)按鈕就可實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的接通，當(dāng)放開(kāi)手時(shí)開(kāi)關(guān)既斷開(kāi)。這樣的工作特性，是由于電子開(kāi)關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)必須靠金屬?gòu)椘芰梽?dòng)來(lái)完成通斷的。微動(dòng)開(kāi)關(guān)由于體積小重量輕，在家用電器方面得到廣泛的使用。但微動(dòng)開(kāi)關(guān)也有它不足的地方，如頻頻的按動(dòng)會(huì)使金屬?gòu)椘谑椥远А?/p>

方案二：采用TTP223 電容式觸摸按鍵。電容式觸摸按鍵的檢測(cè)原理是通過(guò)RC 充電時(shí)間的變化實(shí)現(xiàn)的，其中最根本的原因是電容容量的變化。在周?chē)h(huán)境不變的情況下，按鍵和大地之間的電容是一個(gè)很微小的固定值，由于人體和大地之間也存在著電容。故當(dāng)手指靠近觸摸按鍵時(shí)，就相當(dāng)于觸摸按鍵與大地之間的電容并聯(lián)了人體與大地之間的電容，從而使總電容容量變大。

綜上所述，考慮到輕觸開(kāi)關(guān)使用壽命較短，而觸摸按鍵具有簡(jiǎn)潔，精美，使得產(chǎn)品看起來(lái)更加時(shí)尚，更容易獲取當(dāng)今用戶(hù)的青睞，因而擇優(yōu)選取方案二。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

■3.1 主程序設(shè)計(jì)

如圖7 所示，為主程序設(shè)計(jì)的流程圖。在接通電源后，單片機(jī)開(kāi)始工作，各模塊進(jìn)行初始化。水位傳感器檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)始檢測(cè)，若水位異常（即未注水或水量較少）加濕器處于待機(jī)狀態(tài)，提示用戶(hù)及時(shí)注水[4]。若水位正常，則檢測(cè)與單片機(jī)I/O 口相連接的觸摸按鍵、紅外遙控、HC-08 藍(lán)牙模塊、ESP8266WI-FI 模塊是否有輸入，并將采集到的數(shù)據(jù)送顯于OLED 顯示屏和手機(jī)客戶(hù)端。

圖7 主程序設(shè)計(jì)流程圖

觸摸按鍵、紅外遙控器（短距離傳輸）均可設(shè)置UV 燈開(kāi)關(guān)、以及設(shè)置溫濕度閾值，設(shè)置成功后系統(tǒng)便會(huì)根據(jù)用戶(hù)下達(dá)的指令進(jìn)行智能調(diào)控?；蛘?，用戶(hù)可通過(guò)APP 客戶(hù)端（通過(guò)ESP8266 WI-FI無(wú)線(xiàn)傳輸）遠(yuǎn)程查看室內(nèi)溫濕度情況，以及控制加濕器開(kāi)關(guān)。亦或者，用戶(hù)可通過(guò)微信小程序客戶(hù)端（通過(guò)HC-08 藍(lán)牙傳輸）直接下達(dá)指令控制加濕器。

■3.2 數(shù)據(jù)檢測(cè)程序設(shè)計(jì)

水位傳感器位于加濕器水箱內(nèi)壁，對(duì)水箱內(nèi)的水量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并反饋于單片機(jī)，若水量低于額定水位，系統(tǒng)即判定為缺水，加濕器停止加濕，處于待機(jī)狀態(tài)，并提示用戶(hù)及時(shí)注水。

圖8 APP 控制實(shí)例

圖9 小愛(ài)同學(xué)查詢(xún)實(shí)例

圖10 微信小程序控制實(shí)例

溫濕度傳感器位于加濕器頂部的集成電路板內(nèi)，可對(duì)用戶(hù)房間進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)，并產(chǎn)生模擬信號(hào)傳輸給單片機(jī)，然后單片機(jī)進(jìn)行一系列處理后，將采集到的數(shù)據(jù)反饋給用戶(hù)，并控制加濕器對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)。

■3.3 客戶(hù)端智能控制

3.3.1 APP 智能控制

本加濕器可以實(shí)現(xiàn)APP 遠(yuǎn)程查看室內(nèi)環(huán)境狀況，控制加濕器開(kāi)關(guān)，以及定時(shí)、倒計(jì)時(shí)等功能；還可以添加到手機(jī)小愛(ài)同學(xué)、天貓精靈等第三方平臺(tái)實(shí)現(xiàn)更為便利的查詢(xún)、控制效果。智能加濕器具有很高的安全性、可靠性，使用方便靈活，適用于更多人群。

3.3.2 微信小程序智能控制

本加濕器還可以實(shí)現(xiàn)微信小程序端控制加濕器開(kāi)關(guān)。小程序是一種無(wú)需下載安裝即可使用的應(yīng)用，滿(mǎn)足當(dāng)代年輕人的快節(jié)奏，即開(kāi)即用，減少了下載、安裝軟件的繁瑣操作。使用時(shí)只需打開(kāi)微信，搜索并添加“智能家居云助手”小程序，即可使用。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與調(diào)試

如圖11 所示，為上電工作狀態(tài)下的冷蒸發(fā)式物聯(lián)網(wǎng)智能加濕器實(shí)物圖。利用此圖實(shí)物進(jìn)行測(cè)試:

圖11 遠(yuǎn)程操控設(shè)備測(cè)試

測(cè)試項(xiàng)目：系統(tǒng)功能測(cè)試 系統(tǒng)安全性測(cè)試 APP 和微信小程序用戶(hù)界面測(cè)試

(1)系統(tǒng)功能測(cè)試

首先對(duì)系統(tǒng)各個(gè)模塊進(jìn)行單獨(dú)的測(cè)試，其中HC-08 藍(lán)牙模塊、ESP8266WI-FI 模塊等模塊均運(yùn)行正常。在使用有效數(shù)據(jù)時(shí)得到了預(yù)期的效果，在使用無(wú)效數(shù)據(jù)時(shí)顯示相應(yīng)的錯(cuò)誤警示。各項(xiàng)功能均使用正常，且對(duì)于測(cè)試人員操控簡(jiǎn)單，易用性很強(qiáng)。

(2)系統(tǒng)安全測(cè)試

在測(cè)試過(guò)程中沒(méi)有遇到過(guò)傷害到測(cè)試人員的情況，系統(tǒng)安全性極高。

(3)APP 和微信小程序用戶(hù)界面測(cè)試

在測(cè)試過(guò)程中各個(gè)顯示頁(yè)面均正常，可以準(zhǔn)確反映相應(yīng)的功能和需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)是一款具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制、UV 燈殺菌及水位預(yù)警等功能的物聯(lián)網(wǎng)智能加濕器。機(jī)械部分由電機(jī)提供氣流，產(chǎn)生循環(huán)風(fēng)將液態(tài)水變成氣態(tài)水，實(shí)現(xiàn)加濕效果，不會(huì)帶來(lái)白霧、水垢，以及影響空氣顆粒物濃度的問(wèn)題。智能加濕器控制系統(tǒng)能在家中無(wú)人時(shí)，根據(jù)用戶(hù)設(shè)置的預(yù)設(shè)值自行進(jìn)行智能調(diào)控室內(nèi)環(huán)境，用戶(hù)也可通過(guò)手機(jī)客戶(hù)端（包括APP、微信小程序）進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，以及人工調(diào)控。使加濕器真正的智能起來(lái)，就會(huì)給人們的居家生活帶來(lái)諸多方便，從而進(jìn)一步提高人們的生活質(zhì)量。