基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計中文摘要伴隨著時代的進步，我們的生產(chǎn)生活中已經(jīng)離不開物聯(lián)網(wǎng)。作為工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的參數(shù)，溫濕度的實時檢測在生產(chǎn)中的作用不容小覷。本文設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)。由于云計算的不斷發(fā)展，利用云存儲技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)，采用STM32F103C8T6最小系統(tǒng)開發(fā)板進行數(shù)據(jù)的采集和處理，同時使用溫濕度傳感器DHT11獲取溫度值和濕度值，利用阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺顯示監(jiān)控數(shù)據(jù)，共同構(gòu)成溫濕度檢測系統(tǒng)。基于物聯(lián)網(wǎng)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)集成了智能溫濕度傳感器，通過無線網(wǎng)絡(luò)接入與互聯(lián)網(wǎng)連接，溫濕度數(shù)據(jù)通過Wi-Fi模塊存儲在云服務器中。溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)記錄區(qū)域范圍溫濕度數(shù)據(jù)，記錄的溫度和濕度通過物聯(lián)網(wǎng)在Web可視化界面上通過圖表表現(xiàn)出來，便于管理人員查閱。通過對系統(tǒng)功能的測試，系統(tǒng)能夠按照預設(shè)條件穩(wěn)定運行，并達到預期要求。同時，實現(xiàn)了對區(qū)域環(huán)境溫濕度進行實時監(jiān)測的智能溫濕度監(jiān)測報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有良好的圖形界面，穩(wěn)定性良好、精度符合要求、操作方便等優(yōu)點，對提高溫濕度監(jiān)測管理和相關(guān)企業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。關(guān)鍵字：物聯(lián)網(wǎng)；傳感器；DHT11；溫濕度監(jiān)控目錄第一章緒論 11.1研究背景 11.2課題內(nèi)容 11.3課題意義 2第二章溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)在國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 32.1溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展歷史與現(xiàn)狀 32.2溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的未來趨勢 3第三章系統(tǒng)方案設(shè)計 43.1系統(tǒng)需求分析 43.2硬件方案 43.2.1單片機平臺的選取 43.2.2傳感器模塊的選取 53.2.3聯(lián)網(wǎng)模塊的選取 63.2.4報警模塊的選取 73.2.5物聯(lián)網(wǎng)平臺的選取 83.3設(shè)計方案的確定 93.4總體設(shè)計 10第四章軟件方案 114.1軟件系統(tǒng)工作流程 114.2.傳感器采集的實現(xiàn) 124.3顯示模塊的實現(xiàn) 134.3聯(lián)網(wǎng)模塊的實現(xiàn) 134.4物聯(lián)網(wǎng)平臺的實現(xiàn) 144.4.1web可視化開發(fā) 15第五章調(diào)試部分 17第六章涉及的安全、環(huán)境及經(jīng)濟核算 206.1安全性問題 206.2環(huán)境及經(jīng)濟核算 216.2.1使用環(huán)境 216.2.2經(jīng)濟核算 21第七章總結(jié)與展望 227.1總結(jié) 22參考文獻 23附錄 26第一章緒論1.1研究背景伴隨著社會的快速進步和發(fā)展，國家對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活、科學研究、國防、航天、環(huán)境保護、天氣、計量檢測等部門的環(huán)境溫度和濕度都有了嚴格的標準，如何準確地監(jiān)測和控制環(huán)境中的溫度和濕度的重要性不言而喻。在過去的幾年中，許多新技術(shù)被開發(fā)出來，比如物聯(lián)網(wǎng)、機器學習、人工智能、云計算、數(shù)據(jù)科學和數(shù)據(jù)分析REF_Ref13465\r\h[1]。隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，這一切都成為了可能。現(xiàn)代電子產(chǎn)品和設(shè)備越來越多地與互聯(lián)網(wǎng)連接，實現(xiàn)自動化控制和數(shù)據(jù)觀測。這些技術(shù)的發(fā)展最終帶動了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，它還促進了物聯(lián)網(wǎng)的完善，網(wǎng)絡(luò)化傳感設(shè)施的規(guī)劃和布局以及物聯(lián)網(wǎng)的廣泛應用。對加強物聯(lián)網(wǎng)在城市和企業(yè)基礎(chǔ)設(shè)備、生產(chǎn)和管理中的應用有很大作用。本文提出了一種將溫濕度數(shù)據(jù)與計算機網(wǎng)絡(luò)連接的解決方案。利用數(shù)字傳感器對環(huán)境的溫度及濕度進行采集，并利用物聯(lián)網(wǎng)和云存儲技術(shù)及云計算的不斷發(fā)展，采用STM32F103C8T6最小系統(tǒng)開發(fā)板進行數(shù)據(jù)的采集和處理，并上傳至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，如此便能夠千里之外實時查詢信息和管理設(shè)備。溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)記錄區(qū)域范圍溫濕度數(shù)據(jù)，記錄的溫度和濕度通過物聯(lián)網(wǎng)在計算機上通過圖表表現(xiàn)出來。因此這它變得更加容易閱讀和理解。溫度采集系統(tǒng)能夠快速方便的對目標數(shù)據(jù)進行遠程采集，實時監(jiān)測目標區(qū)域的溫濕度環(huán)境，進而采取有效的控制措施以避免不必要的損失。1.2課題內(nèi)容本課題是基于物聯(lián)網(wǎng)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計本課題的主要工作內(nèi)容如下：目標區(qū)域溫濕度采集，獲取目標范圍的溫度和濕度數(shù)據(jù)。利用單片機能夠?qū)崟r、準確、迅速的顯示采樣溫、濕度值，并中遠距離傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)平臺中。能夠在物聯(lián)網(wǎng)平臺查看所采集的溫度、濕度等數(shù)據(jù)，及時的獲取當前的信息并與設(shè)定的數(shù)值對比，出現(xiàn)問題能夠及時反映。具體精度參數(shù)如下表。表1-1產(chǎn)品精度型號供電電壓溫度測量范圍濕度測量范圍通信方式溫度精度范圍響應時間DHT113-5.5V0-50℃20-90%RH單總線±2℃5S1.3課題意義開爾文勛爵說：“當你能衡量你所說的，并用數(shù)字來表達它時，你就開始了解它；當你不能用數(shù)字來表達時，你的知識便是微薄的，無法令人滿意的；它或許是知識的開端，但你的思想還沒有發(fā)展到科學的階段。REF_Ref17244\r\h[2]”眾所周知，人的能力必然是有限的。然而，人類能力的提高促使了許多科學儀器的發(fā)明，這些儀器能夠幫助我們理解和研究周圍的物體和現(xiàn)象，幫助人類認識現(xiàn)實。這其中最為重要的工具便是在第二次世界大戰(zhàn)后大規(guī)模工業(yè)發(fā)展的背景下急劇演變的量具。我們不能將科學的進步和工業(yè)的進步分開，因為任何科學發(fā)現(xiàn)之后，工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)現(xiàn)、技術(shù)的發(fā)展以及隨之而來的新的方法和手段的發(fā)展，都需要進行測量、觀察或記錄。因此，增加了需要進行精確測量的變量，并增加了對改進測量方法的關(guān)注，發(fā)展了儀器甚至在人類生活中的興趣轉(zhuǎn)向了對類型和數(shù)量的關(guān)注。測量的意義和測量要求使用儀器，測量的意義和測量要求儀器的使用，而我們所思考的便是如何測量。它是找出物理量或變量的物理學家用合適的工具來檢測情況。此外，如果用戶設(shè)備通過了普遍認可的測量校準過程，數(shù)量將是能夠被記錄的被測標準量。但是，如果該設(shè)備并不是標準的，它必須通過校準。，校準裝置用于比較標準的普遍同意的準確性和保留在特定環(huán)境條件下。測量效價和華氏、攝氏或濕度的測量單位是一致的。然而，工業(yè)和研究實驗室的大趨勢已開始使用計算機體系結(jié)構(gòu)。同時，它又稱為電子設(shè)備，引起這一趨勢的是電子設(shè)備的易用性，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字設(shè)備，方便地連接到其他設(shè)備上，有助于記錄讀數(shù)或保存在計算機外圍設(shè)備上，使其更易于統(tǒng)計和計算。基于物聯(lián)網(wǎng)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)是互聯(lián)網(wǎng)和電子技術(shù)大規(guī)模發(fā)展的必然發(fā)展方向。本課題的目的是開發(fā)一個由溫度傳感器、濕度傳感器、Wi-Fi模塊和具有數(shù)據(jù)讀取、無線通信和處理能力的微控制器組成的嵌入式系統(tǒng)，為用戶建立一個透明的區(qū)域環(huán)境溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)?；谖锫?lián)網(wǎng)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)集成了智能溫濕度傳感器和物聯(lián)網(wǎng)支持，通過無線接入與互聯(lián)網(wǎng)連接，溫濕度數(shù)據(jù)通過Wi-Fi模塊存儲在云服務器中。該傳感器經(jīng)濟實用，支持自動讀取濕度和溫度，并將此數(shù)據(jù)發(fā)送到安全的服務器，從而監(jiān)視和控制系統(tǒng)的溫度和濕度?；谖锫?lián)網(wǎng)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)使用簡單，適用范圍廣，有廣泛的應用前景，適用于我們生活中的方方面面，與人類的生活密切相關(guān)。其可以為有溫濕度測量與控制、倉儲運輸、防火、溫室養(yǎng)殖、智能家居等需要的行業(yè)提供服務。因此在社會和企業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及生產(chǎn)經(jīng)營中使用基于物聯(lián)網(wǎng)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)揮著重要意義。第二章溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)在國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2.1溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展歷史與現(xiàn)狀溫度和濕度監(jiān)控的關(guān)鍵是收集溫度和濕度數(shù)據(jù)，這一功能主要依托于溫度傳感器來實現(xiàn)，依托于信息技術(shù)界今年來的快速發(fā)展，傳感器成為了其中的頂尖產(chǎn)品，特別是溫濕度傳感器這一技術(shù)，在中國的各個領(lǐng)域及范圍中已經(jīng)有了較為大規(guī)模的應用。溫濕度傳感器經(jīng)歷了三個不同的發(fā)展階段，它們分別是傳統(tǒng)的分立式傳感器、模擬集成溫度傳感器和智能集成溫度傳感器REF_Ref18017\r\h[3]。二十世紀末，數(shù)字式傳感器得以問世。它的出現(xiàn)依賴于相關(guān)信息科技的不斷發(fā)展和進步。數(shù)字溫度傳感器能夠適配多種類型的單片機，并輸出相對應的數(shù)據(jù)和控制量。與此同時，伴隨著科技與技術(shù)的進步，人們也對傳感器的功能有了更多的期望，如今的溫濕度傳感器也正在經(jīng)歷著從基于單片機的模擬式傳感器向數(shù)字式的傳感器發(fā)展，從集成向智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，向高精度、多功能、總線標準化、高可靠性、高安全性、虛擬傳感器、網(wǎng)絡(luò)傳感器等高科技方向發(fā)展REF_Ref18475\r\h[4]。2.2溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的未來趨勢就如今現(xiàn)有的技術(shù)來說，使用最為廣泛的方式為有線溫濕度傳感器及控制系統(tǒng)，雖然在一定程度上有線溫度傳感器所達到的效果更為理想，但也有缺點，如布線難度較大。同時，有線系統(tǒng)還存在短路、斷線的可能，線路不可避免的老化缺陷，這必然增加系統(tǒng)調(diào)試和維護的難度，在現(xiàn)實中難以廣泛應用。隨著電腦技術(shù)的快速發(fā)展，無線溫度數(shù)據(jù)采集在工業(yè)應用中得到了迅速的普及,作為無線通信行業(yè)的一部分，無線通信技術(shù)呈現(xiàn)出強勁的發(fā)展動力，同時，無線通信技術(shù)在安全性生產(chǎn)，控制，數(shù)據(jù)收集及其他方面始終發(fā)揮著重要作用REF_Ref18755\r\h[5]。在某些特殊情況下，無線傳輸仍然是傳輸數(shù)據(jù)的唯一方法，溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)也向著網(wǎng)絡(luò)傳輸這一方向穩(wěn)步發(fā)展。第三章系統(tǒng)方案設(shè)計3.1系統(tǒng)需求分析本設(shè)計旨在實現(xiàn)一款能夠應用在農(nóng)牧業(yè)、種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、物流運輸業(yè)等各類需要對溫濕度環(huán)境進行監(jiān)控的環(huán)境中的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，基于物聯(lián)網(wǎng)可以使此系統(tǒng)不受線路的約束，廣泛應用在不同且多變的環(huán)境之中，及時采集當前區(qū)域的溫濕度數(shù)據(jù)，并上傳至物聯(lián)網(wǎng)平臺，一旦溫濕度超過所設(shè)定的閾值，系統(tǒng)能夠迅速反應并發(fā)出警報。由于如今網(wǎng)絡(luò)的廣泛分布，此系統(tǒng)能運用在靈活多變的場地，其體積較小，耗電量低，能夠安裝在任何需要的場所，相比如今市面上常用的有線溫濕度測量裝置更為便捷，同時物聯(lián)網(wǎng)賦予了這一系統(tǒng)更為便捷的處理能力，可以在線查看數(shù)據(jù)變化并及時收到警報，即清楚地展示該范圍的溫濕度的具體數(shù)據(jù)，有利于數(shù)據(jù)的管理，又能在節(jié)省人工的同時更好的掌握范圍請況。3.2硬件方案3.2.1單片機平臺的選取目前常用主控板多種多樣，其中以52單片機、32單片機及arduino使用較多，在本設(shè)計的兩個方案中分別選用了STM32F103C8T6這一使用非常普及的主控板和WiFiduino-8266這一整合ESP8266的arduino開發(fā)板?？紤]到由于疫情影響STM32F103C8T6這一主控板價格飛漲，目前市場價在30元至40元之間，但影響畢竟是一時的，隨著時間的流逝其價格終會回到原本的10元以下，相比于WiFiduino-8266而言STM32F103C8T6不僅是成本更為低廉，功能也更為基礎(chǔ)實用，故選用STM32F103C8T6作為本產(chǎn)品主控板。STM32F1系列處理器由于其獨特的實時性仿真，已成為單片機應用的熱點。STM32F103C8T6單片機的物理圖如圖3-1、3-2所示。圖3-1STM32F103RET6原理圖圖3-2STM32F103RET6外形圖在能保證實現(xiàn)產(chǎn)品目的功能的基礎(chǔ)上降低成本，選擇STM32F103RET6作為主控系統(tǒng)，STM32F1系列可應用于多種不同的使用環(huán)境，是嵌入式應用的一大佳作。它采用一流的外圍設(shè)備和能耗極低，是許多現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備的首選。3.2.2傳感器模塊的選取傳感器模塊在本產(chǎn)品設(shè)計中的主要功能為獲取當前區(qū)域范圍內(nèi)的所需數(shù)據(jù)，本次設(shè)計的目標是基于物聯(lián)網(wǎng)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，因此本次設(shè)計采用了溫濕度傳感器，傳感器作為系統(tǒng)中最重要的部分，起著至關(guān)重要的作用。與市場上流行的溫濕度傳感器：DHT系列、HTU系列相比，這些傳感器具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、靈活性高、性能穩(wěn)定、功耗低等特點。主要參數(shù)通過查詢其官方數(shù)據(jù)，如表3-1。表3-1溫濕度傳感器參數(shù)對比REF_Ref10720\r\h[7]型號DHT11SHT21HTU21D供電電壓3-5.5V3.1-3.6V1.5-3.6V溫度測量范圍0-50℃-40-125℃-40-125℃濕度測量范圍20-90%RH0-100%RH0-100%RH通信方式單總線I2CI2C溫度精度范圍±2℃±3℃±3℃濕度遲滯未知±1%RH±1%RH測量時間＞2S50ms50ms年偏移量0.5%RH/yr0.5%RH/yr0.5%RH/yr響應時間5S傳輸時間1S8s5s通過各不同系列的傳感器參數(shù)對比可得知HTU21D相較之下參數(shù)最為突出，但考慮到其供電電源為1.5-3.6V之間，配套使用的單片機STM32F103C8T6所提供的電源在3.3-5V之間，考慮到傳感器與單片機之間的適配性，同時考慮到DHT11的成本低廉，且其傳感器的測量范圍能夠適應非極端環(huán)境?？紤]到上述原因，本產(chǎn)品設(shè)計選用DHT11溫濕度傳感器作為本產(chǎn)品的采集模塊。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器采用了特有的采集方式。該傳感器連接8位微控制器，包括一個電阻濕度傳感器和一個NTC溫度傳感器。因此，該產(chǎn)品具有響應速度快、測量精度高、性價比可靠等特點REF_Ref19931\r\h[6]。其內(nèi)部電路圖如圖3-3所示。R1電阻作為上拉電阻，能夠使數(shù)據(jù)傳輸不被干擾。P2是一個單排引腳。R2限流電阻器，它可以避免D1電源指示燈被燒毀。圖3-3DHT11內(nèi)部電路圖圖DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一個溫度和濕度復合傳感器。它可以同時檢測區(qū)域環(huán)境中的溫度和濕度。它們都在一個非常精確的濕度校準室中進行校準。校準系數(shù)在傳感器內(nèi)部的信號處理過程中調(diào)用。該傳感器由電阻式濕度傳感器和NTC溫度傳感器組成，并與高性能8位單片機相連REF_Ref2191\r\h[8]。單線串行接口使系統(tǒng)集成變得容易和快速REF_Ref20561\r\h[9]。DHT11體積微小，能耗甚微，可以勝任許多特殊環(huán)境的要求，這也是這一產(chǎn)品在市場上備受歡迎的原因。3.2.3聯(lián)網(wǎng)模塊的選取為了將單片機接入阿里云物聯(lián)網(wǎng)云平臺，同時將采集到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理上傳至阿里云平臺界面，需要使用物聯(lián)網(wǎng)模塊將單片機與物聯(lián)網(wǎng)相連。目前物聯(lián)網(wǎng)方面最為常用的聯(lián)網(wǎng)方式分為兩類，GPRS和WIFI兩種不不同的傳輸類型，二者各有優(yōu)劣，具體參數(shù)如下表4-2和圖。表3-2物聯(lián)網(wǎng)傳感器參數(shù)傳輸方式速率電源價格AIR800GPRS85.6kbps3.4-4.2V36ESP8266WIFI160kbs3.3-5V15.8圖3-3網(wǎng)絡(luò)型溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)ESP8266成本低廉,是工業(yè)領(lǐng)域常用的WiFi芯片。具有多種功能，能夠為使用者提供便捷的平臺。同時考慮到如今時代的發(fā)展和科技的進步，WIFI傳輸已成為一種必然的趨勢。故本產(chǎn)品設(shè)計決定使用WIFI傳輸模式，使用ESP8266聯(lián)網(wǎng)模塊。3.2.4報警模塊的選取報警模塊由LED和蜂鳴器組成，在本系統(tǒng)中起著報警的作用，當溫度或濕度中的某一個數(shù)據(jù)達到系統(tǒng)所設(shè)置的閾值時，系統(tǒng)通過LED和蜂鳴器進行聲光報警，同時在物聯(lián)網(wǎng)平臺進行警示。以此達到警示的作用。圖3-4LED發(fā)光二極管參考圖圖3-5蜂鳴器參考圖3.2.5物聯(lián)網(wǎng)平臺的選取基于物聯(lián)網(wǎng)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)的主要功能是將數(shù)據(jù)信息傳輸至物聯(lián)網(wǎng)平臺。物聯(lián)網(wǎng)服務器的作用是將存儲在溫濕度數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)顯示在互聯(lián)網(wǎng)上，使用戶可以方便地通過物聯(lián)網(wǎng)服務器隨時查看溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的狀態(tài)、溫濕度等信息。圖3-6阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺設(shè)備界面阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺隸屬于阿里巴巴旗下，不僅是許多大型工業(yè)的首選，也為個人用戶提供可靠的物聯(lián)網(wǎng)應用。BLINKER與之相比顯得有些許小眾，blinker是一個物聯(lián)網(wǎng)接入方案，其目的是能夠使廣大的物聯(lián)網(wǎng)用戶能夠不被繁瑣的物聯(lián)流程所困擾，能夠簡便的完成物聯(lián)網(wǎng)管理。這一平臺由服務器端、app端、設(shè)備端組成，可以部署到幾乎所有物聯(lián)網(wǎng)平臺。app端支持ios、android，同時設(shè)備端可以使用藍牙、WiFi、MQTT等方式接入REF_Ref7004\r\h[10]。通過界面布局器，用戶自己設(shè)計控制界面，打造物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。圖3-7BLINKER物聯(lián)網(wǎng)平臺設(shè)備界面基于物聯(lián)網(wǎng)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)站是阿里云。界面上可以看到系統(tǒng)主頁，登錄后可以查看濕度和溫度信息?？梢栽诜掌魃喜榭唇o定空間的溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)?？紤]到阿里云的平臺的使用更為廣泛，同時也更具有較為完整的技術(shù)支持。相比于BLINKER而言，阿里云有著更為完善的功能和更為穩(wěn)定的平臺。通過比較，最終選擇阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺作為本產(chǎn)品的物聯(lián)網(wǎng)平臺。3.3設(shè)計方案的確定本設(shè)計以STM32為核心，外接器件包括液晶顯示模塊、溫濕度傳感器、WIFI通信模塊和電源電路。本系統(tǒng)主要基于STM32單片機開發(fā)。由STM32F103C8T6核心板、DHT11溫濕度模塊、ESP8266聯(lián)網(wǎng)模塊、LED、蜂鳴器、杜邦線等組成。設(shè)備已完成。采用STM32F103C8T6芯片，采用KeiluVision5開發(fā)環(huán)境，用C語言編寫。隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，單片機的設(shè)計和使用成本有了下降的趨勢，這有利于本設(shè)計的發(fā)展。與此同時，物聯(lián)網(wǎng)平臺的使用大大提高了監(jiān)控的強度和效率，不僅減少了人力物力，而且大大降低了成本。本設(shè)計系統(tǒng)所選用的電路模塊具有市場通用、性價比高、價格低廉、性能優(yōu)良的特點。表3-3設(shè)計方案模塊選型主控板STM32F103C8T6傳感器DH11聯(lián)網(wǎng)模塊ESP8266物聯(lián)網(wǎng)平臺阿里云報警模塊LED+蜂鳴器顯示模塊0.96OLED顯示屏3.4總體設(shè)計本研究設(shè)計的主要框圖如圖所示：圖3-8系統(tǒng)主要框圖

第四章軟件方案本系統(tǒng)的軟件部分由采集、傳輸、顯示和報警部分模塊組成。采集程序控制溫濕度傳感器采集區(qū)域范圍的溫濕度數(shù)據(jù)。傳輸數(shù)據(jù)負責系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)的連接，主要包括發(fā)送網(wǎng)絡(luò)接入響應，將接收到的溫濕度數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到PC機等，報警模塊負責在所采集的溫濕度超過閾值時發(fā)出警報，本章主要討論的是軟件程序。4.1軟件系統(tǒng)工作流程圖4-1系統(tǒng)工作流程圖產(chǎn)品通過KeiluVision5軟件進行編寫、調(diào)試和管理。它包含大量的可調(diào)用函數(shù)庫。同時程序設(shè)計語言是由C語言進行編寫的，易于閱讀和學習。整個系統(tǒng)的運行流程圖如圖5-1所示。首先初始化，然后是數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)判斷采集溫度、濕度是否偏高。若達到閾值，則進行警報。如此重復。為實現(xiàn)整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計，采用了STM32F103C8T6作為主控系統(tǒng)，C語言C/c++編譯器，和阿里云物聯(lián)網(wǎng)。軟件工作流如圖4-1所示。4.2.傳感器采集的實現(xiàn)傳感器采集模塊由STM32F103C8T6、DHT11溫濕度傳感器和杜邦線材組成。單片機的3.3V接口和GND和傳感器對應接口連接,溫度和濕度傳感器的數(shù)據(jù)連接STM32F103C8T6的PB11接口。系統(tǒng)將ESP8266與阿里云物聯(lián)網(wǎng)連接，將溫濕度傳感器采集到的溫濕度數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨⒗镌莆锫?lián)網(wǎng)中相應的數(shù)據(jù)流中，從而實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的遠程監(jiān)控。圖4-2DHT11工作流程在單片機初始化結(jié)束，單片機向傳感器發(fā)出信號。DHT11接收到信號后按照流程開始工作，采集區(qū)域范圍的溫濕度信息。并將此數(shù)據(jù)返傳輸至單片機。4.3顯示模塊的實現(xiàn)本設(shè)計采用OLED顯示屏顯示DHT11數(shù)字溫濕度傳感器采集的溫濕度數(shù)據(jù)。OLED的VCC和GND分別與STM32F103C8T6基板的5V和接地連接，SCL接口連接PB0，SDA與PB1連接。如圖5-3所示圖4-3OLED接線圖4.3聯(lián)網(wǎng)模塊的實現(xiàn)ESP8266是一款WiFi模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)單片機之間串口通信。其有著兩種不同的編程方式可供開發(fā)者進行選擇，SDK或Arduino。本溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)模塊使用Arduino編寫。打開ArduinoIDE里面進行下載，之后開發(fā)板管理器并搜索8266，如下圖4-4：圖4-4環(huán)境安裝在工具的管理庫界面搜索8266，點擊安裝后就可以看到開發(fā)板了,選中后即可對8266編程如圖4-5。圖4-5環(huán)境安裝此模塊是溫濕度數(shù)據(jù)采集方案的基礎(chǔ)部分。主要進行數(shù)據(jù)采集和簡單封裝，然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)铰酚晒?jié)點進行數(shù)據(jù)尋址和轉(zhuǎn)發(fā)。聯(lián)網(wǎng)的過程簡單，如此則能通過ESP8266達成單片機接入阿里云物聯(lián)網(wǎng)云平臺，將采集數(shù)據(jù)上傳的需求。數(shù)據(jù)傳輸由主控板通過WIFI模塊連接到互聯(lián)網(wǎng)；具有監(jiān)控顯示功能，實時監(jiān)控和顯示溫濕度數(shù)據(jù)。4.4物聯(lián)網(wǎng)平臺的實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)平臺即PC軟件管理平臺，物聯(lián)網(wǎng)平臺是采集和監(jiān)測環(huán)境的溫度和濕度，管理平臺是基于web模式的。用戶進入平臺時，只需輸入平臺賬號和密碼，即可實現(xiàn)用戶管理和參數(shù)設(shè)置。平臺界面可以實時顯示采集到的數(shù)據(jù)，也可以查看歷史數(shù)據(jù)。通過在阿里云平臺中物聯(lián)網(wǎng)平臺構(gòu)建產(chǎn)品，就可以建立個人物聯(lián)網(wǎng)管理平臺。通過建立產(chǎn)品，我們可以將溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)顯示在阿里云的平臺上。通過頁面設(shè)備的構(gòu)建，同時插入對應的實例，建立相應的數(shù)據(jù)接口，就可以在物聯(lián)網(wǎng)平臺上接收到單片機所發(fā)送的數(shù)據(jù)。電子設(shè)備的易用性引起物聯(lián)網(wǎng)這一趨勢。設(shè)備能夠方便地連接到其他設(shè)備上，有助于記錄讀數(shù)或保存在計算機外圍設(shè)備上，使其更易于統(tǒng)計和計算。阿里云平臺的設(shè)備管理簡單。物聯(lián)網(wǎng)平臺提供完整的設(shè)備生命周期管理功能REF_Ref9316\r\h[11]。圖4-3消息傳遞加密圖4.4.1web可視化開發(fā)在阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，通過其網(wǎng)頁可視化開發(fā)，在畫布上構(gòu)建一個便于使用人員讀取的界面。Web可視化開發(fā)能夠通過平臺所提供的畫布工具，方便開發(fā)者的設(shè)計和制作。使開發(fā)者無需進行復雜的網(wǎng)頁設(shè)計，僅僅通過拖曳平臺所提供的控件就能夠設(shè)計出一個可視化的數(shù)據(jù)展示平臺。用瀏覽器訪問云平臺，這一平臺能夠遠程實時查詢信息和管理設(shè)備。平臺所記錄的溫度和濕度通過物聯(lián)網(wǎng)在計算機上通過圖表表現(xiàn)出來。變得更加容易閱讀和理解。本系統(tǒng)最終的可視化界面設(shè)計如圖5-4所示。圖5-4web可視化開發(fā)界面設(shè)計

第五章調(diào)試部分系統(tǒng)測試核心板通電前，應再次檢查硬件電路，避免出現(xiàn)短路、斷路等硬件故障。啟動系統(tǒng)，逐一測試軟件功能。如果程序工作正常，即為通過測試。如果有問題，繼續(xù)調(diào)試程序。經(jīng)過調(diào)試，系統(tǒng)可以正常工作。如圖所示，溫濕度數(shù)據(jù)將在LCD顯示屏上顯示。此外，在WIFI范圍內(nèi)移動應用程序也可以傳輸數(shù)據(jù)。實際硬件如下所示。圖5-1系統(tǒng)硬件實物圖該軟件系統(tǒng)結(jié)合了多個部分的程序并下載至單片機中。經(jīng)程序調(diào)試后，可對程序進行驗證。DHT11的編譯程序如圖5-2所示。通過串口監(jiān)控窗口，可以看到串口數(shù)據(jù)正常傳輸，如圖5-3所示。ESP8266的編譯程序如圖5-4所示。圖5-2DHT11編譯程序圖5-3串口傳輸數(shù)據(jù)圖5-4ESP8266編譯程序燒錄成功后打開電源，此時OLED屏幕上能夠顯示出DHT11所采集的溫濕度數(shù)據(jù)如圖5-5所示。圖5-5溫濕度的顯示

第六章涉及的安全、環(huán)境及經(jīng)濟核算 6.1安全性問題中國對市場上銷售的電子電氣類產(chǎn)品（包括智能家居、智能安防等產(chǎn)品）依據(jù)《標準化法》、《強制性產(chǎn)品認證管理辦法》、《強制性產(chǎn)品認證管理規(guī)定》、《產(chǎn)品質(zhì)量法》等法律法規(guī)，對產(chǎn)品實施強制性的認證（3C認證）REF_Ref23314\r\h[12]由于本設(shè)計還具有網(wǎng)絡(luò)通信相關(guān)功能，所以需要符合網(wǎng)絡(luò)信息安全的要求。依據(jù)《中華人民共和國網(wǎng)絡(luò)安全法》第十條規(guī)定，網(wǎng)絡(luò)服務提供者應保障網(wǎng)絡(luò)安全與穩(wěn)定運行，并維護數(shù)據(jù)的完整性、保密性和可用性。本設(shè)計系統(tǒng)采用5V供電，在單片機不帶負載時，它的工作電流約為十毫安。單片機的工作電流與工作頻率有關(guān)，工作頻率高時，耗電會增加不少。同時外設(shè)較多的單片機耗電也較大。本設(shè)計所采用的STM32F103單片機工作電流可達二十余毫安。人體對電流的承受能力有限，當直流電流大于3毫安時，人體將有反應。具體反應閾值如下表6-1所示。根據(jù)歐姆定律（I=U/R）可以得知流經(jīng)人體電流的大小與外加電壓和人體電阻有關(guān)REF_Ref24686\r\h[13]。但人所穿著的衣物和環(huán)境以及和電路的接觸面積往往非常復雜難以計算的。因此，為了保證使用者的安全，如今多采用安全電壓進行估算。表6-1人體反應REF_Ref25603\r\h[14]電流(mA)50Hz交流電直流電0.6~1.5手指開始感覺發(fā)麻無感覺2~3手指感受覺強烈發(fā)麻無感覺5~7手指肌肉感覺痙攣手指感灼熱和刺痛8~10手指關(guān)節(jié)與手掌感覺痛，手已難以脫離電源，但尚能擺脫電源感灼熱增加20~25手指感覺劇痛，迅速麻痹，不能擺脫電源，呼吸困難灼熱更增，手的肌肉開始痙攣50~80呼吸麻痹，心房開始震顫強烈灼痛，手的肌肉痙攣，呼吸困難90~100呼吸麻痹，持續(xù)3min后或更長時間后，心臟麻痹或心房停止跳動呼吸麻痹6.2環(huán)境及經(jīng)濟核算6.2.1使用環(huán)境人體觸電的閾值往往與環(huán)境有關(guān)。當環(huán)境干燥時，人體觸電的可能性較小。而如果處于較為濕潤的環(huán)境，人體觸電的可能性就會變大。因此，本系統(tǒng)為了保證使用，應盡量存放在干燥環(huán)境中。如有特殊的使用需求，則需要對本系統(tǒng)加上絕緣防潮外殼，防止本產(chǎn)品損壞的同時也保證了使用者的人身安全。6.2.2經(jīng)濟核算本產(chǎn)品所使用的的配件多價格低廉，由于近期疫情導致全球供應鏈中斷，部分產(chǎn)品供應緊張，價格飛漲。其中STM32F103C8T6單片機原本在市面上以10元左右的價格出售，如今已漲至30~50元。但疫情的影響是暫時的，通過核算本產(chǎn)品的部件成本，其經(jīng)濟核算如下表6-2：表6-2硬件模塊成本方案一價格（單位：元）主控板STM32F103C8T635傳感器DH1114.4聯(lián)網(wǎng)模塊ESP826615.8物聯(lián)網(wǎng)平臺阿里云免費報警模塊LED+蜂鳴器5顯示模塊0.96OLED顯示屏12總計102.4元

第七章總結(jié)與展望7.1總結(jié)本文設(shè)計并實現(xiàn)了溫室溫濕度監(jiān)測與報警系統(tǒng)。本系統(tǒng)基于STM32F103C8T6芯片，KeiluVision5開發(fā)環(huán)境，C語言制作。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對溫室內(nèi)溫濕度的監(jiān)測，如果超出系統(tǒng)所設(shè)置閾值范圍，系統(tǒng)將觸發(fā)報警。同時，本系統(tǒng)實現(xiàn)了環(huán)境區(qū)域范圍內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)的信息化和高效便捷的管理。通過對系統(tǒng)的分析設(shè)計和系統(tǒng)最終功能的實現(xiàn)，完成了溫室溫濕度監(jiān)測與報警的設(shè)計。在設(shè)計過程中我遇到了不少問題，也一一解決了他們，正式這些問題促使著我的設(shè)計作品一點點完成。一、二月時開始查閱相關(guān)材料，學習與本設(shè)計相關(guān)的知識，同時設(shè)想大體的設(shè)備構(gòu)建選型。三月時確定了本系統(tǒng)的功能和其所對應的模塊，并在接下來的時間中開始討論其可行性。四月確定了模塊具體部件，并不斷優(yōu)化現(xiàn)有方案，如：原本聯(lián)網(wǎng)方案選擇了AIR800，后考慮到成本和使用便利性等因素更換為ESP8266。在四、五月份進行了本產(chǎn)品的搭建、調(diào)試和優(yōu)化等一系列工作，首先通過單片機和傳感器完成了溫濕度數(shù)據(jù)的采集部分。在通過檢查發(fā)現(xiàn)這一功能的順利完成后，考慮到數(shù)據(jù)的可視性，在單片機上添加了OLED顯示屏幕用于顯示所采集的數(shù)據(jù)。同時，在這一過程中出現(xiàn)了安裝OLED屏幕后單片機無響應的問題。通電后更是出現(xiàn)單片機發(fā)熱、傳感器指示燈熄滅，OLED屏幕發(fā)熱嚴重，連接處冒煙且燙傷測試人員。通過多次檢查，確認程序、接線以及單片機都完好且無誤，且去掉OLED屏幕接線則系統(tǒng)一切正常。所以將這一問題歸因于OLED屏幕不適配。之后通過查閱相關(guān)資料得知OLED屏幕市面上產(chǎn)品眾多型號各異，多數(shù)4管口0.96OLED供電在3V~5V之間，但少數(shù)OLED模塊與5V接口不兼容，導致了功能無法實現(xiàn)。后續(xù)又通過學習阿里云所提供的材料范例，在原有的基礎(chǔ)上添加了與物聯(lián)網(wǎng)的通信，使所采集的溫濕度數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r上傳，實現(xiàn)了環(huán)境區(qū)域范圍內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)的信息化和高效便捷的管理。通過此次制作畢業(yè)設(shè)計，使我在知識理論和動手能力都獲得了更大的進步。為了準備本次設(shè)計也查閱了大量的文獻和論文，對國內(nèi)及國外的相關(guān)內(nèi)容有了進一步的認識和了解。在后續(xù)的設(shè)計和制作過程中，更是不斷地發(fā)現(xiàn)問題、解決問題如此循環(huán)。形成了以問題為導向的學習過程，幫助我逐步完成畢業(yè)設(shè)計的制作。在這一過程中鍛煉的不僅僅是我解決問題的能力，更鍛煉了我發(fā)現(xiàn)問題的