1、基于 ARM 的无线温湿度监测控制系统摘 要：随着现代化生产模式的高速普及，人们对信息的传输速度要求越来越高，对生产环境安全性要求越来越严格。为此文章以基于 ARM芯片，ESP8266 无线 WiFi 传感器和 DHT11 温湿度传感器设计出一套能对环境温湿度参数进行无线监测控制的系统，从而满足现代化生产的需要。关键词：ARM；温湿度；WiFi 通信；无线监控 引言 随着现代化工业生产的快速发展，人们对信息的传输速度要求越来越快，对产品品质的要求越来越高。伴随着物联网1技术越来越成熟，物联网技术在生产的各个环节都得到了广泛应用。其中，温湿度监测2在工业、农业、化工等行业都有很多应用。在生产过程
2、中，往往需要监测生产现场的环境的温湿度数据，以便保证生产的高效率和安全性。 目前，生产过程中对于温湿度的监测大多数还处于现场监测现场控制模式，需要生产人员在现场查看与操控，这对生产人员的安全性存在一定的隐患。为了保证安全性，需要对温湿度参数进行无线监测与控制。为此，本系统通过 STM32 将生产现场采集到的温湿度参数经 WiFi 信息传输技术传送到中控室进行监测和控制，极大程度地保证了生产人员的人身安全。同时采用的 WiFi 传输技术使得生产网络化，信息的传输更加快速和便捷，提高了生产效率。 1 系统总体设计 无线温湿度监测控制系统结构框图如图 1 所示。 本系统主要由 3 个部分构成：温湿度
3、参数监测控制设备、STM32 和WiFi 无线传输收发模块。首先，由温湿度监测模块监测环境温湿度参数，监测到的温湿度参数通过下位机 STM32 上的 WiFi 无线收发模块进行信息传输。然后，上位机上的 WiFi 无线收发模块收到信息后，将信息传递到上位机并通过显示屏将监测到的温湿度参数显示出来。最后，将监测到的温湿度参数与设定的安全参数进行比较，根据比较结果发送相应的指令通过 WiFi 模块传输到下位机，对控制设备进行控制。 2 硬件设计 硬件设计主要分为四大部分：ARM 控制系统、温湿度参数监测系统、WiFi 无线收发模块及控制设备。本系统设备选定本着价格适宜、布线简单及调试方便的基本原则
4、对所需实现功能进行选定。 2.1 ARM 控制系统 STM32 是构成本系统的最核心部分，需要担任对温湿度传感器进行连接，信息获取与处理，与 WiFi 模块进行通信，完成监测参数的显示等重要职责。 本系统采用 ARM 公司 Cortex-M34内核的 32 位闪存微控制器，具体型号为 STM32F103RCT6。该芯片时钟频率为 72MHz，电压范围2.03.6V，可在环境温度-4080下正常工作。具有性能高、功耗低、实时应用、价格低等优点5。具体参数如表 1 所示。 2.2 温湿度参数监测系统 温湿度参数的监测是本系统的第一环节，选择合适的温湿度传感器有利于对环境参数的准确测量，适应不同的监
5、测环境。 本系统产用 DHT11 数字式温湿度传感器6。DHT11 含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。其专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，温度测量范围为 050，测试精度为2，湿度测量范围为 20%90%，测试精度为5%RH，测量温湿度分辨率为 8bit。具有体积小、响应快、性价比高和适用范围广等优点，能保证系统对环境温湿度参数的长期、准确监测，保证系统的稳定运行。 DHT11 温湿度传感器采用单线双向的串行连接模式，进行一次监测及传送所需时间一般在 4ms 左右7，通过模块上的 DATA 引脚与 STM32 进行通信，传输监测到的温湿度参数。 2.3 WiFi 无线收发模块 W
6、iFi 无线收发是本系统的重要组成部分，对采集到的温湿度参数进行准确传输给上位机，同时接受上位机的控制信号，将信号传递给下位机进行对应控制。 本系统产用安信可 ESP8266WiFi 模块。ESP8266WiFi 具有三种工作模式，分别为 STA 模式、AP 模式和 STA+AP 混合模式，可以满足不同工作的需要。模块支持 Espressif IoT AT 指令集，丰富的指令集非常便于对WiFi 模块的调试。同时，模块支持 UDP、TCP/IP、DHCP 客户端等多种协议，支持 802.11b/g/n 标准，支持 UART/GPIO 数据通信接口，使数据可在手机、平板、服务器、无线路由器和笔记
7、本电脑等设备之间进行信息分享与传输。 ESP8266WiFi 模块与 STM32 通过串口 UART 连接通信8，STM32 将监测到的温湿度参数通过串口发送到 WiFi 模块，再由 WiFi 模块将信息传送给接收 WiFi 模块进行数据收发。 2.4 控制设备 控制设备是对监测到的温湿度参数与设定的温湿度参数进行比较后，根据比较结果运用 PID 算法对所需控制设备进行不同的控制。 本系统采用简单的 3.3V 驱动的继电器模块进行控制。该模块自带光耦隔离，支持高低电平触发。将继电器 IN 引脚与 STM32 的 IO 相连，有STM32 发送高低电平对继电器进行控制。继电器模块主要连接实验用微
8、型加热器和小风扇，通过 PID 算法的引用对环境温湿度进行更精确控制，其简单实用性满足了对设备的操作需求。 3 系统软件设计 系统软件设计主要包括温湿度采集、WiFi 信息传递和上位机对信息分析及监控三部分的程序设计。整个系统软件采用模块化方法使用C+、C 语言在 Keil uvision4 集成开发平台下编写。 3.1 温湿度采集软件设计 温湿度采集软件设计主要是将传感器采集到的环境参数通过串口传到下位机存储，并将信息存储等待 WiFi 模块将信息发送。根据系统原理，温湿度采集软件流程图如图 2 所示。 3.2 WiFi 信息传递 WiFi 信息传递分为客户端和服务器两个部分。 客户端部分为
9、下位机连接的 WiFi 模块，将其设置为 STA 模式，通过下位机 STM32 的串口写入模块初始化信息，完成对下位机 WiFi 模块的初始化工作。初始化成功后，当 STM32 将存储的温湿度参数通过串口传递到 WiFi 模块的发送缓冲区后，客户端 WiFi 模块通过信息通道将温湿度参数发送给服务器模块。同时，如果接收到上位机 WiFi 的控制信号，采取中断模式，将上位机的控制信号采集接收，并发送到下位机 STM32 做出相应的操作。 服务器部分为上位机连接的 WiFi 模块，将其设置为 AP 模式，通过上位机 STM32 的串口写入模块初始化信息，完成对上位机 WiFi 模块的初始化工作。初
10、始化成功后，等待接收下位机 WiFi 模块的传输信息。当接收到下位机信息后，将信息通过串口送给上位机。同时，如果接收到上位机的设定信息，如：上限温度等。接收到信息后采取中断模式，将信息通过上位机 WiFi 模块发送到下位机接收。 客户端和服务器 WiFi 模块流程图基本相同，WiFi 流程图及中断流程图如图 3 所示。 3.3 信息分析及监控 上位机 STM32 对接收到的 WiFi 信息，通过解析提取出来，将监测到的温湿度信息用串口输送到显示屏上显示。同时，可以将人工设定的上限温度值等信息通过中断方式用 WiFi 模块传达给下位机，便于下位机实现对环境变量采取相应的控制功能。 4 系统测试
11、完成以上系统硬件调试后，还需针对不同模块进行相应配置，从而完成整个系统的设计。 4.1 WiFi 收发模块的相应配置 关于 WiFi 收发模块，调试方式有很多种。本系统先行在 PC 机上使用串口工具对 WiFi 模块进行调试。设置好作为服务器和客户端 WiFi 模块的工作模式、WiFi 名字和密码等相关设定，用串口工具模拟 WiFi 模块的收发数据。一切正常后将对应指令通过 STM32 串口传输方式对 WiFi 模块进行初始化设定，具体调试的指令可以参考 WiFi 模块支持的Espressif IoT AT 指令集。通过这种调试方式可以使得系统更加灵活，便于系统应用到不同的工作环境中。 4.2
12、 实验结果 完成所有的软硬件的配置工作后，风别在一定的环境下，将系统的STM32 的上位机和下位机置于长 10 米的房间中。室内温度为 21，湿度35%RH（通过专业仪器测量）的环境下。先将两块 ARM 板相隔 1 米距离，经本系统测试，STM32 上位机能接收到下位机经 WiFi 传送过来的温湿度信息，分别为 21，湿度 35%RH，且信号正常稳定。通过移动两块 ARM板从 1 米到 10 米，WiFi 传输信号不断由强到弱不断变化，但在 WiFi 的覆盖空间内，始终都能正常的监测到温湿度信息，并进行信息收发和对信息采取相应控制。然后，取一小塑料盒，用加湿喷雾器对塑料盒内进行均匀加湿，将塑料
13、盒静置 1 分钟后，将温湿度传感器放入塑料盒内进行检测，实验发现在 0.5 秒内显示屏上的湿度数值迅速发生改变，并显示出正确的测量值。测试结果表明本系统满足了设计的初始要求，达到了系统设计目标。 5 结束语 文章利用 WiFi 的无线传输能力，结合 STM32 和 DH11 温湿度模块，设计出一套无线温湿度监测控制系统，用来满足温湿度监测在信息时代生产中的需要。采用本系统能对特殊工作环境或需要无线方式的复杂情境中对环境温湿度进行监测和控制，并且采用 WiFi 方式可以接入互联网使得所监测数据进行流通，更方便于对生产的无线操控。同时整体系统成本低、布线简单、有较强的可扩展性，应用前景十分广泛。
14、参考文献 1彭扬.物联网技术与应用基础M.中国物资出版社，2011. 2刘伟永，王凤瑛.基于 ZigBee 技术的无线温湿度监测系统设计J.微型机与应用，2013，32（11）：64-65. 4杨日容.基于 Cortex-M3 的远程大功率 LED 温度测控系统设计J. 科技风，2013（20）：53-54. 5廖义奎.Cortex-M3 之 STM32 嵌入式系统设计M.中国电力出版社，2012. 6刘军良.WiFi 技术在温湿度远程监测系统中的应用J.自动化仪表，2014（6）：79-82. 7王志宏，白翠珍.基于 DHT11 的实验室多点温湿度报警系统设计J.山西电子技术，2011（4）：45-46. 8陈帅，廖志林，周建军.基于物联网远程监测机房温湿度系统设计J.电声技术，2015，39（2）：29-31.
