基于STM32單片機(jī)的環(huán)境溫/濕度遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉小濱 劉 寅 沈文浩

（華南理工大學(xué)制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州，510640）

與液態(tài)和固態(tài)污染物相比，造紙工業(yè)在生產(chǎn)過程中排放的氣態(tài)污染物包括SO2、NH3和揮發(fā)性有機(jī)污染物（VOCs）等，這會(huì)增加人體罹患呼吸道疾病的風(fēng)險(xiǎn)［1］。此外，由于造紙污染氣體的成分復(fù)雜，對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)具有盲目性，存在檢測(cè)目標(biāo)交叉、檢測(cè)方法復(fù)雜繁瑣以及檢測(cè)結(jié)果滯后且靈敏度較低等問題，所以有關(guān)造紙污染氣體的科學(xué)研究甚少［2］。因此，對(duì)造紙工業(yè)污染氣體進(jìn)行科學(xué)、全面、有效的檢測(cè)和控制具有重要意義。

有研究表明［3］，光催化氧化技術(shù)能夠有效降解造紙污染氣體且不產(chǎn)生二次污染，并在本課題組的前期研究中［4］，環(huán)境溫/濕度會(huì)影響光催化氧化降解氣態(tài)污染物的效果和速率。為此，本課題設(shè)計(jì)了一款用于檢測(cè)光催化氧化環(huán)境溫/濕度的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)在手機(jī)APP上對(duì)環(huán)境溫/濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程監(jiān)控。該系統(tǒng)能為調(diào)控光催化氧化降解氣態(tài)污染物的效率提供手段，以提高光催化技術(shù)在環(huán)境凈化中的應(yīng)用效果。

1 系統(tǒng)方案概述

本課題設(shè)計(jì)的溫/濕度遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要包括4個(gè)模塊：控制模塊、傳感器模塊、數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸模塊以及人機(jī)交互模塊?？刂颇K以基于STM32的單片機(jī)（MCU，STM32F103VET6）為核心，驅(qū)動(dòng)溫/濕度傳感器DHT11采集當(dāng)前環(huán)境的溫/濕度信號(hào)，并通過板載的ESP8266 Wi-Fi無(wú)線傳輸模塊將溫/濕度數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)上，最后在手機(jī)APP上顯示實(shí)時(shí)的溫/濕度以及數(shù)據(jù)曲線。該系統(tǒng)同時(shí)具備有高溫度/高濕度報(bào)警功能，當(dāng)環(huán)境溫/濕度超過系統(tǒng)設(shè)定的閾值時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警以提醒操作人員調(diào)控當(dāng)前環(huán)境溫/濕度。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖：（a）DHT11溫/濕度傳感器；（b）以STM32F103VET6單片機(jī)為核心的控制模塊；（c）Android手機(jī)APPFig.1 Block diagram of overall structure of the system:(a)DHT11 temperature/humidity sensor;(b)STM32F103VET6 microcontroller;and(c)APP on Android mobile phone

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件除了信號(hào)采集電路、控制電路以及無(wú)線傳輸電路，還包括如下模塊：電源模塊、存儲(chǔ)模塊、調(diào)試模塊及報(bào)警模塊。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)框圖以及各主要硬件模塊與控制器的連接電路原理圖如圖2和圖3所示。

圖2 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Design block diagram of overall structure of system hardware

圖3 主要硬件模塊與控制器的連接電路原理圖：（a）DHT11溫/濕度模塊；（b）ESP8266 Wi-Fi無(wú)線傳輸模塊；（c）蜂鳴器報(bào)警模塊Fig.3 Schematic diagram of the connection circuit between the main hardware modules and the controller:(a)DHT11 temperature/humidity module;(b)ESP8266 Wi-Fi wireless transmission module;and(c)buzzer alarm module

2.1 控制電路設(shè)計(jì)

主控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，承擔(dān)著實(shí)現(xiàn)功能、處理數(shù)據(jù)和規(guī)定時(shí)序等任務(wù)。因此，在控制器的選型上要考慮其具有足夠大的程序空間和數(shù)據(jù)運(yùn)算空間［5］。

針對(duì)系統(tǒng)功能需求，本課題選用了基于ARM架構(gòu)和Cortex-M3內(nèi)核的32位STM32F103VET6控制器芯片（單片機(jī)），該芯片具有功能各異且可復(fù)用的100個(gè)引腳并集成了如USART（通用同步/異步串行接收/發(fā)送器）、I2C（I2C總線）和SPI（串行外設(shè)接口）等常用通信接口，可用于外接各種傳感器和執(zhí)行器以控制其他設(shè)備，滿足用戶需求。

2.2 溫/濕度數(shù)據(jù)采集電路

為了采集當(dāng)前環(huán)境的溫/濕度數(shù)據(jù)，本課題采用了低成本、高靈敏度和精度的DHT11溫/濕度傳感器。該傳感器集成度好，能同時(shí)測(cè)量環(huán)境的溫度和濕度并將信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出［6］。同時(shí)，DHT11與控制器電路連接簡(jiǎn)單，只需將其DATA引腳與控制器上任一GPIO（通用輸入輸出）口的引腳連接并通信，VCC與GND由控制器的電源電路供電。溫/濕度數(shù)據(jù)采集電路如圖3(a)所示。

2.3 基于Wi-Fi的無(wú)線傳輸電路

該電路實(shí)現(xiàn)的功能是手機(jī)（上位機(jī)）通過Wi-Fi信號(hào)與單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行連接通信?？刂破鹘邮盏绞謾C(jī)發(fā)送的指令后，將儲(chǔ)存在RAM中的溫/濕度數(shù)據(jù)通過USART接口傳輸?shù)紼SP8266 Wi-Fi無(wú)線傳輸模塊中，并進(jìn)行數(shù)據(jù)打包和校驗(yàn)標(biāo)識(shí)，最后以規(guī)范的Wi-Fi通信協(xié)議進(jìn)行上/下位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性［7］。ESP8266 Wi-Fi無(wú)線傳輸模塊的電路接線如圖3(b)所示。

2.4 蜂鳴器報(bào)警電路

由于環(huán)境溫/濕度會(huì)影響光催化氧化降解污染氣體的效率［8-9］，所以需要設(shè)定一個(gè)溫/濕度閾值以保證光催化氧化反應(yīng)的效率。故本課題設(shè)計(jì)了溫/濕度閾值超限的蜂鳴器報(bào)警電路，該電路采用低電平觸發(fā)的有源蜂鳴器，當(dāng)環(huán)境溫/濕度高于設(shè)定閾值時(shí)，則會(huì)觸發(fā)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警，提醒操作人員及時(shí)調(diào)整溫/濕度以穩(wěn)定光催化氧化反應(yīng)速率。蜂鳴器報(bào)警電路原理圖如圖3(c)所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)可分為單片機(jī)嵌入式軟件設(shè)計(jì)和Android手機(jī)APP軟件設(shè)計(jì)。嵌入式軟件設(shè)計(jì)包括編寫外設(shè)驅(qū)動(dòng)、通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)以及主程序代碼等，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和無(wú)線傳輸?shù)墓δ?；而Android手機(jī)APP軟件設(shè)計(jì)包括編寫界面設(shè)計(jì)、通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)可視化顯示以及主程序代碼，以實(shí)現(xiàn)接收并顯示傳感器數(shù)據(jù)、給單片機(jī)發(fā)送指令以及記錄數(shù)據(jù)的功能。

系統(tǒng)總體的軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。當(dāng)系統(tǒng)開始工作時(shí)，單片機(jī)與Android手機(jī)APP均處于系統(tǒng)初始化狀態(tài)。初始化后，各個(gè)模塊進(jìn)入正常工作狀態(tài)。此時(shí)，可以通過Android手機(jī)APP控制單片機(jī)以驅(qū)動(dòng)傳感器采集當(dāng)前環(huán)境溫/濕度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過Wi-Fi無(wú)線傳輸模塊上傳到手機(jī)；然后在APP界面中就會(huì)顯示溫/濕度數(shù)據(jù)和繪制實(shí)時(shí)曲線圖。當(dāng)溫/濕度超過用戶所設(shè)定的閾值，則會(huì)觸發(fā)蜂鳴器、手機(jī)鈴聲報(bào)警以及APP界面顯示報(bào)警提醒。

圖4 系統(tǒng)總體軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.4 Flow chart of overall software design of the system

3.1 嵌入式軟件設(shè)計(jì)

3.1.1 單片機(jī)系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

主程序完成系統(tǒng)各個(gè)模塊的初始化、環(huán)境溫/濕度的檢測(cè)、判斷溫/濕度是否超過設(shè)定的閾值、建立單片機(jī)和手機(jī)的Wi-Fi連接、等待上位機(jī)下發(fā)指令執(zhí)行相應(yīng)操作等功能。其軟件設(shè)計(jì)流程如圖4左半部分所示，其余分模塊的程序設(shè)計(jì)如下文所述。

3.1.2 DHT11溫/濕度模塊驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)讀取溫/濕度傳感器數(shù)據(jù)的原理主要是通過改變和檢測(cè)其DATA引腳的高低電平時(shí)序?qū)崿F(xiàn)。首先，單片機(jī)設(shè)定DATA引腳的連接時(shí)序建立與DHT11溫/濕度模塊的連接；其次，單片機(jī)接收DATA引腳返回的數(shù)字信號(hào)，轉(zhuǎn)換成溫/濕度數(shù)值存入RAM中；最后，等待后續(xù)程序進(jìn)行取值和使用。DHT11溫/濕度模塊的驅(qū)動(dòng)程序流程如圖5所示。

圖5 DHT11溫/濕度模塊驅(qū)動(dòng)程序流程圖Fig.5 Driving program flow chart of DHT11 temperature/humidity module

對(duì)DHT11溫/濕度模塊的時(shí)序控制和信號(hào)讀取主要分為2部分：①主機(jī)（單片機(jī)）檢測(cè)DHT11溫/濕度模塊是否正確連接；②讀取數(shù)據(jù)位“0”和“1”；具體時(shí)序控制如圖6所示。

（1）主機(jī)檢測(cè)DHT11溫/濕度模塊是否正確連接：主機(jī)先發(fā)送連接請(qǐng)求信號(hào)（如圖6(a)中虛線所示），DHT11溫/濕度模塊在收到主機(jī)連接請(qǐng)求信號(hào)后會(huì)應(yīng)答主機(jī)的連接請(qǐng)求（如圖6(a)中實(shí)線所示），在主機(jī)確認(rèn)正確連接后即可開始讀取傳感器上傳的數(shù)據(jù)。

（2）讀取數(shù)據(jù)位“0”和“1”：DATA引腳與單片機(jī)之間采用單總線數(shù)據(jù)格式，單次傳輸5個(gè)字節(jié)（40 bit）的數(shù)據(jù)，高位先出。具體數(shù)據(jù)構(gòu)成為：8 bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit校驗(yàn)和。在讀取1位有效數(shù)據(jù)位開始之前會(huì)持續(xù)54μs的低電平應(yīng)答檢測(cè)，然后拉高電平，持續(xù)23~27μs，即表示數(shù)據(jù)位“0”，如圖6(b)所示；持續(xù)71μs即表示數(shù)據(jù)位“1”，如圖6(c)所示。

圖6 DHT11溫/濕度模塊連接與數(shù)據(jù)讀取時(shí)序控制圖：（a）主機(jī)檢測(cè)DHT11溫/濕度模塊是否正確連接；（b）讀取數(shù)據(jù)位“0”；（c）讀取數(shù)據(jù)位“1”Fig.6 Diagram of DHT11 temperature/humidity module connection and timing control of data reading:(a)host checking whether the DHT11 temperature/humidity module is connected correctly;(b)reading of data bit“0”;and(c)reading of data bit“1”

3.1.3 ESP8266 Wi-Fi無(wú)線傳輸模塊驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)是基于Android系統(tǒng)設(shè)計(jì)的手機(jī)APP，ESP8266 Wi-Fi無(wú)線傳輸模塊的主要功能是釋放Wi-Fi信號(hào)以建立起單片機(jī)和手機(jī)APP的連接，接收手機(jī)下達(dá)的指令并轉(zhuǎn)化成單片機(jī)執(zhí)行操作的語(yǔ)言，使手機(jī)能讀取溫/濕度數(shù)據(jù)并在手機(jī)APP的界面中實(shí)時(shí)顯示和繪制。ESP8266 Wi-Fi無(wú)線傳輸模塊的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

圖7 ESP8266 Wi-Fi無(wú)線傳輸模塊驅(qū)動(dòng)程序流程圖Fig.7 Driving program flow chart of ESP8266 Wi-Fi wireless transmission module

3.2 手機(jī)APP界面及功能設(shè)計(jì)

本課題使用Android Studio軟件設(shè)計(jì)了一款基于Android系統(tǒng)的手機(jī)APP，包括如圖8所示的3個(gè)界面：①歡迎界面；②登錄界面；③主界面。

圖8 手機(jī)APP界面：（a）歡迎界面；（b）登錄界面；（c）主界面；（d）運(yùn)行中的主界面Fig.8 APP interface on mobile phone:(a)welcome interface;(b)login interface;(c)main interface;and(d)main interface during operation

當(dāng)APP啟動(dòng)時(shí)，歡迎界面隨之啟動(dòng)，主要是顯示開發(fā)者、APP圖標(biāo)以及問候語(yǔ)等信息，并在5 s倒計(jì)時(shí)后自動(dòng)切換到登錄界面。用戶在登錄界面輸入正確且唯一的賬號(hào)和密碼后，即可進(jìn)入主界面。主界面具有以下3個(gè)功能：①通過Wi-Fi發(fā)現(xiàn)傳感器檢測(cè)設(shè)備（單片機(jī)）并與之連接；②顯示和繪制由單片機(jī)傳入的實(shí)時(shí)測(cè)量的溫/濕度數(shù)據(jù)；③將當(dāng)前數(shù)據(jù)表格存儲(chǔ)在手機(jī)內(nèi)存中，同時(shí)可以從內(nèi)存中檢索歷史數(shù)據(jù)。手機(jī)APP界面及功能設(shè)計(jì)流程如圖9所示。

圖9 手機(jī)APP界面及功能設(shè)計(jì)流程圖Fig.9 Flow chart of APP interface and function design of mobile phone

4 系統(tǒng)集成調(diào)試

基于STM32單片機(jī)的環(huán)境溫/濕度遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)物如圖10所示。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，利用該系統(tǒng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)濕度飽和鹽溶液（CH3COOK）的濕度以對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行集成調(diào)試［10］，測(cè)試方法示意圖如圖11(a)所示，具體操作步驟如下。

圖10 基于STM32單片機(jī)的環(huán)境溫/濕度遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.10 Images of ambient temperature/humidity remote monitoring system based on STM32 MCU

（1）以相對(duì)濕度為23%的CH3COOK飽和溶液作為基準(zhǔn)樣（即傳感器響應(yīng)和恢復(fù)的基線）；

（2）將傳感器移入盛有CH3COOK飽和溶液的瓶中并蓋緊瓶塞，等待讀數(shù)穩(wěn)定；

（3）響應(yīng)過程：將傳感器從CH3COOK飽和溶液中移至盛有更高濕度的飽和鹽溶液（MgCl2、NaBr、NaCl、KCl或KNO3）中進(jìn)行濕度響應(yīng)過程，等待讀數(shù)穩(wěn)定；

（4）恢復(fù)過程：將傳感器從（3）中的飽和鹽溶液中移至CH3COOK飽和溶液中，進(jìn)行濕度恢復(fù)過程，等待讀數(shù)穩(wěn)定；

（5）重復(fù)上述過程，即可得到如圖11(b)所示的濕度響應(yīng)曲線和如表1所示的測(cè)試結(jié)果。

從圖11(b)和表1（表中濕度均為相對(duì)濕度）可以看出，本溫/濕度遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)濕度飽和鹽溶液的濕度測(cè)量相對(duì)誤差均在10%以內(nèi)，最低為0，最高為9.1%，平均相對(duì)誤差在3.1%以內(nèi)。誤差的主要來(lái)源可能為：①由于導(dǎo)線較粗導(dǎo)致玻璃瓶塞未完全塞緊，瓶?jī)?nèi)環(huán)境與外界環(huán)境連通，從而影響瓶?jī)?nèi)的濕度；②配置飽和鹽溶液時(shí)間的影響，即當(dāng)配置飽和鹽溶液的時(shí)間過長(zhǎng)，則會(huì)引起瓶?jī)?nèi)藥品變質(zhì)從而影響其濕度。此外，本系統(tǒng)對(duì)不同濕度的響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間均小于30 s且響應(yīng)時(shí)讀數(shù)穩(wěn)定，沒有較大波動(dòng)以及恢復(fù)時(shí)能回到濕度基線上。上述調(diào)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)能穩(wěn)定、快速、準(zhǔn)確地遠(yuǎn)程測(cè)量環(huán)境的溫/濕度，并顯示在手機(jī)APP界面上。

圖11 溫/濕度遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)集成調(diào)試：（a）測(cè)試方法示意圖；（b）測(cè)試結(jié)果Fig.11 Integration debugging of the temperature/humidity remote monitoring system:(a)schematic diagram of the test method;(b)test results

表1 標(biāo)準(zhǔn)濕度與溫/濕度遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果對(duì)比Table 1 Results comparison between standard humidity and measurement data from the temperature/humidity remote monitoring system

5 結(jié)論

本課題設(shè)計(jì)了基于STM32單片機(jī)的環(huán)境溫/濕度遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫/濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的同時(shí)，還具有準(zhǔn)確性較高（平均相對(duì)誤差小于3.1%）、穩(wěn)定性較好（每次濕度恢復(fù)時(shí)都能回到基線，以及在響應(yīng)時(shí)讀數(shù)穩(wěn)定準(zhǔn)確且沒有較大的波動(dòng)）、響應(yīng)快速（響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間均小于30 s）的特點(diǎn)。該系統(tǒng)不僅可用于對(duì)光催化氧化降解氣態(tài)污染物過程中環(huán)境溫/濕度的監(jiān)控，以規(guī)避其影響，還可以運(yùn)用到如溫室種植等領(lǐng)域的溫/濕度監(jiān)控需求中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫/濕度的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、顯示及異常報(bào)警，具有廣闊的應(yīng)用前景。