廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院　樊智一

基于STM32的無線WIFI溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院樊智一

針對(duì)分散節(jié)點(diǎn)的溫濕度檢測，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的無線WIFI溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32F103RCT6單片機(jī)為控制器、以溫濕度傳感器DHT11和無線WIFI收發(fā)模塊ESP8266為輔助，實(shí)現(xiàn)空間溫濕度數(shù)據(jù)的采集、發(fā)送與監(jiān)測。該系統(tǒng)能穩(wěn)定可靠地反饋現(xiàn)場的溫濕度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)溫濕度的同步監(jiān)測。

單片機(jī)；WIFI無線通信；溫濕度測量

0.引言

溫濕度的監(jiān)測在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有著重要地位，特別是對(duì)大棚種植，養(yǎng)殖，糧食存儲(chǔ)等，對(duì)溫濕度的控制要求甚高。為擺脫落后的傳統(tǒng)監(jiān)測手法，需要引進(jìn)測量精度高，低投入，易于維護(hù)的監(jiān)測系統(tǒng)。為了滿足上述要求，設(shè)計(jì)了一個(gè)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，測量精度高，價(jià)格低廉易于維護(hù)的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32F103RCT6單片機(jī)為控制芯片，以溫濕度傳感器DHT11采集空間的溫濕度數(shù)據(jù)，并通過無線WIFI收發(fā)模塊ESP8266把數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)的監(jiān)測界面，實(shí)現(xiàn)溫濕度的同步監(jiān)測。

1.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)通過溫濕度傳感器采集空間的溫濕度數(shù)據(jù)，并在STM32F103RCT6單片機(jī)中對(duì)獲取的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。利用無線WIFI收發(fā)模塊對(duì)處理完成的數(shù)據(jù)進(jìn)行無線傳輸，發(fā)送至上位機(jī)的接收端，并把數(shù)據(jù)上傳至LabVIEW設(shè)計(jì)的監(jiān)測界面。在監(jiān)測過程中，若現(xiàn)場空間溫度超出額定值系統(tǒng)隨即發(fā)出報(bào)警并反饋到上位機(jī)。無線WIFI溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

下位機(jī)采用STM32F103RCT6單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控制器，其中外圍電路由電源電路，溫濕度傳感器，時(shí)鐘和復(fù)位電路，液晶顯示電路，系統(tǒng)報(bào)警電路以及無線WIFI數(shù)據(jù)收發(fā)電路組成。該硬件部分主要實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）采集空間溫濕度數(shù)據(jù)；（2）顯示溫濕度數(shù)據(jù)；（3）溫濕度超出額定值時(shí)發(fā)出報(bào)警；（4）溫濕度數(shù)據(jù)的無線傳輸。其設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2　下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)框圖

上位機(jī)同樣以STM32F103RCT6單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控制器，外圍電路由電源電路，時(shí)鐘和復(fù)位電路，無線WIFI數(shù)據(jù)收發(fā)電路以及串口通信電路組成。該硬件部分主要實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）接收溫濕度數(shù)據(jù)；（2）顯示當(dāng)前的溫濕度數(shù)據(jù)；（3）保存歷史溫濕度數(shù)據(jù)。其設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

圖3　上位機(jī)硬件設(shè)計(jì)框圖

2.1單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制系統(tǒng)為整個(gè)系統(tǒng)的控制部分，該部分以STM32F103RCT6單片機(jī)為控制器，由時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、電源電路、JTAG下載調(diào)試電路組成。該系統(tǒng)采用適合于低功耗應(yīng)用的高速32位處理器STM32F103RCT6，該芯片工作電壓為3.3V，具有64個(gè)I/O接口，內(nèi)置高速內(nèi)存，256KB閃存容量。處理器采用8MHz的無源晶振提供時(shí)鐘源，通過控制器內(nèi)部PLL倍頻控制寄存器使工作頻率提高至72MHz，采用MAX809S作為上電復(fù)位芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)控制器的上電復(fù)位。

2.2系統(tǒng)供電模塊

該系統(tǒng)中的溫濕度傳感器的工作電壓是5V，控制器STM32F103RCT6與無線WIFI通信模塊的工作電壓是3.3V。因此采用了LM2576 5.0V開關(guān)電源芯片，它內(nèi)含固定頻率振蕩器（52kHz）和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器（1.23V），并具有完善的保護(hù)電路，包括電流限制以及熱關(guān)斷電路等。同時(shí)該系統(tǒng)采用了asm1117 3.3V的線性穩(wěn)壓芯片產(chǎn)生3.3V的電壓，利用以上器件只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)定的系統(tǒng)供電電路。

2.3溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊

該系統(tǒng)采用的溫濕度傳感器為DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，該傳感器由一個(gè)電阻型濕敏元件和溫度傳感器組成，采用單線制的串行接口，該溫濕度傳感器的工作電壓為3至5.5V，控制器發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)后傳感器工作于高速模式。啟動(dòng)信號(hào)結(jié)束時(shí)，傳感器輸出40位數(shù)據(jù)，觸發(fā)一次溫濕度數(shù)據(jù)采集，采集完成后溫濕度傳感器的工作模式變?yōu)榈凸哪Ｊ?。溫濕度傳感器處于空閑狀態(tài)時(shí)總線為高電平，工作時(shí)需把總線電平拉低。

2.4系統(tǒng)通信模塊

該設(shè)計(jì)采用的無線WIFI通信模塊為Ai-Thinker公司的ESP8266模塊，該模塊通過串口與單片機(jī)控制器進(jìn)行通信，該模塊內(nèi)置TCP/ IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)串口與WIFI之間的轉(zhuǎn)換。通過配置單片機(jī)控制器的串口即可通過WIFI傳輸數(shù)據(jù)。該無線WIFI通信模塊的工作電壓為3.3V，有三種工作模式分別為（1）AP；（2）STA；（3）AP+STA。其

中每個(gè)工作模式又包含TCP服務(wù)器，TCP客戶端和UDP三種工作子模式。該系統(tǒng)中下位機(jī)的WIFI通信模塊作為服務(wù)器并且采用AP模式，上位機(jī)的WIFI通信模塊作為客戶端并且采用STA模式。上位機(jī)與PC機(jī)之間的通信采用RS232串行通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，該系統(tǒng)采用MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)單片機(jī)串口與PC機(jī)之間的串行通信。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為系統(tǒng)初始化、溫濕度檢測、參數(shù)設(shè)置、報(bào)警處理、溫濕度數(shù)據(jù)整理及發(fā)送、溫濕度信息顯示。下位機(jī)溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊的處理如下：對(duì)連續(xù)采集得到的10個(gè)數(shù)據(jù)，刪去其中的最大與最小值并求出其平均值，最后把平均值發(fā)送至上位機(jī)接收端。監(jiān)控PC機(jī)采用LabVIEW設(shè)計(jì)的監(jiān)測界面，LabVIEW提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面，實(shí)現(xiàn)接收下位機(jī)的溫濕度數(shù)據(jù)并匯總顯示。

系統(tǒng)上電后進(jìn)入初始化階段讀取系統(tǒng)參數(shù)，溫濕度傳感器啟動(dòng)并采集溫濕度數(shù)據(jù)，采集所得數(shù)據(jù)顯示于1602液晶顯示屏，并通過無線WIFI模塊把數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，上位機(jī)接收到來自下位機(jī)的數(shù)據(jù)后通過串口上傳至PC機(jī)，通過監(jiān)測界面顯示當(dāng)前溫濕度數(shù)據(jù)。當(dāng)空間檢測的溫濕度值超出設(shè)置的額定值時(shí)，下位機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)報(bào)警處理程序。

4.結(jié)語

該系統(tǒng)以STM32F103RCT6單片機(jī)、ESP8266無線WIFI傳輸模塊、DHT11溫濕度傳感器以及LabVIEW監(jiān)測界面構(gòu)成了無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能同步監(jiān)測空間溫濕度的變化，當(dāng)溫濕度超出設(shè)置額定值時(shí)發(fā)出警報(bào)。該系統(tǒng)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中能發(fā)揮重要作用，如糧食存儲(chǔ)中，溫度與濕度是兩個(gè)重要指標(biāo)，必須實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)測。該系統(tǒng)具有較好的擴(kuò)展性，可廣泛應(yīng)用于需要溫濕度監(jiān)測的場合。

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樊智一（1993—），男，廣東廣州人，碩士研究生，研究方向：嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，圖像理解。