智能家居的温湿度系统设计

李莹莹，曾晓菊，何宇航，展云龙，邹蕴琦

（贵州大学 大数据与信息工程学院，贵州 贵阳 550025）

0 引 言

近年来，随着人们生活水平的提高，人们对居住环境的要求也越来越高。温湿度是居家环境的重要参数，把握好温湿度的调节对于优质的家居环境至关重要。本文结合实际生活需求，利用单片机和云平台相结合的智能化技术，设计了一款能够实时监测并调节温湿度的智能家居系统，为居民生活质量的改善提供了一定的参考价值。

品牌联想评估内容包括读者在看到品牌时所能想到的阅读推广活动的基本特征（比如活动一般是什么形式、阅读内容的喜好程度、活动的时间、活动所代表的整体水平等）、品牌利益（读者能从活动中收获到什么、读者认为的价值存在点）、品牌态度（读者对品牌的整体评价）。读者所能联想的事务越多，越具体，说明对品牌的关注度和参与度越高，而品牌态度则代表了读者对活动的整体喜好程度。

1 系统整体方案设计

本系统采用STC89C52单片机为主要控制单元，选择DHT11作为温湿度传感器，LCD1602液晶显示屏作为数据显示器件，ESP8266 WiFi芯片作为通信模块，可以实现通过微信小程序查看家居环境温湿度参数，并可对智能家居设备进行远程监测和控制的功能。因此，本系统的下位机设计包含单片机最小系统、温湿度传感器模块、LCD显示模块、无线通信模块以及继电器模块5部分，上位机设计包含云服务器平台和微信小程序显示两部分。系统设计如图1所示。

图1 系统总体设计

2 系统硬件设计

2.1 系统控制模块

本设计采用STC89C52单片机作为控制核心，STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K字节系统可编程Flash存储器[1]。STC89C52虽然使用的是经典的MCS-51内核，但经过了大量的改进，它具备了51单片机所没有的性能。正是由于高效性和灵活性的优点，它被广泛地应用于众多嵌入式控制应用系统，引脚如图2所示。

式中：u,v∈{1,2,3}表示T1、T2和T3之间任意两个时段的索引，Tu和Tv可以相同也可以不同；PEi,u表示电动汽车i在分时电价体系下Tu时段的充电需求；PEi(t)为在基本时间间隔t内的充电功率；ρv表示Tv时段内的分时电价价格；和分别表示非分时电价体系下的电动汽车各时段充电需求和电价，其中

图2 单片机最小系统

2.2 温湿度传感模块

云服务器是整个系统数据处理及存储的关键，也是整个物联网系统的重要组成部分，有了它才能实现远程实时通信[7]。本系统的云服务器与下位机之间的通信采用TCP/IP的通信模式，即利用下位机的WiFi模块与家用路由器相连接以访问互联网。

2.3 数据显示模块

由表3和图3可知，在浓香型白酒贮存过程中，38%vol低度白酒比52%vol高度白酒总酸含量增加更快，随着贮存时间的延长，其之间的改变量进一步扩大。经过3年时间的贮存，高度白酒总酸含量的增长已经趋于平缓，但是低度白酒却依然增长很快。低度白酒较高度白酒更容易水解，酒中乙醇浓度的高低对于白酒水解具有重要的抑制作用。

2.4 无线通信模块

本系统采用5 V的光耦继电器，光耦继电器是指含有一个金氧半场效晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）光耦合发光二极管（Light Emitting Diode，LED）的光耦，用光耦来控制开关状态的固态继电器。它是一种固态继电器，用光耦驱动三极管，控制光耦端，通过单片机发送适当的电信号，以光为介质传输电信号。与电磁继电器相比，光耦继电器没有机械触点引起的磨损，因此拥有无限的使用寿命，同时无震动和切换等动作的声音，安静环保，并具有隔离作用和驱动能力。

2.5 继电器模块

为了实现单片机系统与上位机控制系统之间的数据传输，本设计采用ESP8266 WiFi模块作为无线通信的主要器件。该模块使用3.3 V单电源供电，支持通用异步接收/发送装置（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART），通用输入/输出（General Purpose Input Output，GPIO）数据通信接口，内置传输控制协议/网际协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）栈，支持多路TCP Client连接[4]。该芯片可工作于3种模式下，分别是接入点（Access Point，AP）模式、单线程单元（Single-Threaded Apartment，STA）模式以及AP+STA混合模式，通过AT指令进行配置。ESP8266模块可以实现串口透传、脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）调控、GPIO控制等主要功能[5]。该模块与STC89C52单片机之间采用串行通信的连接方式，使用单片机固有的RX、TX串行通信接口与之相连，即可实现WiFi芯片与单片机的交互。

为了方便观察系统采集的温湿度数据，本设计选择LCD1602液晶显示屏作为实现数据显示功能和方便观察阈值调整的主要器件。它是一种专门用来显示数字、符号以及字母等的点阵型液晶模块，每行16个字符，能够显示两行，具有可显示内容丰富的特点。此液晶显示屏内含复位电路，可以为用户提供不同的控制指令，如工作方式设置、显示开关控制、模式设置、清屏、光标归位、显示移动等多种功能，具有微功耗、体积小、超薄轻巧等优点，能够很好地满足本设计的需求。

3 系统软件设计

微信小程序是一种用户不需要下载安装即可使用的应用，具有丰富的功能和出色的使用体验，降低了用户的使用难度，充分体现了“用完即走”的理念，用户不必为安装过多的应用而担心内存的问题，而且节省了大量的资金、时间以及人力，开发成本低[9,10]。小程序将通过建立超级入口的地位，成为微信生态链中不可或缺的力量，未来发展前景不可限量。

3.1 云服务器软件实现

本系统采用DHT11温湿度传感器来采集环境中的温湿度数据。DHT11是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用特定的数字模块采集技术和温湿度传感技术，保证产品的高可靠性和长时间的稳定性[1]。该传感器内含一个电阻式感湿元件和一个负温度系数（Negative Temperature Coefficient，NTC）测温元件，其湿度测量范围为20%～95%，温度测量范围为-20～60 ℃[1]。在温湿度检测电路设计中，因为该传感器仅有一个单总线串行输出接口，造成了其发送和接收必须为三态特性，所以必须外接一个上拉电阻，使其在常规状态下呈现高电平[2,3]。

本设计采用的是OneNet云服务器平台，此平台可协助开发者方便地进行设备的接入与连接，短时间内就可完成产品的开发与部署，并为智能硬件及智能家居产品提供全面的物联网解决方案[8]。除此之外，OneNet云服务器平台支持以太网、WiFi以及通用分组无线服务技术（General Packet Radio Service，GPRS）3种通信方式，而在本设计当中，与以太网和GPRS相比，使用WiFi会更加便捷，所以本系统利用WiFi模块来实现单片机与云服务器平台之间的通信。

在系统启动时，单片机会向ESP8266发送AT指令启动WiFi模块，并且完成TCP Client的部署，同时连接上远程TCP服务器。云服务器在WiFi模块将信息以指定格式发送出去后，将数据接收、保存至本地数据库中，紧接着将响应和数据控制指令发送回下位机，至此下位机和云服务器之间完成交互，家居系统可以开始进行正常工作。

3.2 微信小程序设计

软件设计与实现是智能家居其智能与进步的重要体现。与硬件设计不同，软件部分无法进行整体设计，因此需要考虑不同场合的功能需求进行针对性的程序设计。软件的总体设计是在微信小程序控制模式下，通过微信小程序发送指令，并将指令先传送给云服务器，然后云服务器将收到的指令进行转发，进而控制智能家居设备。这样便实现了对智能家居设备的远程实时监测及控制的操作，也充分发挥了微信小程序成本低廉、使用流畅以及打开率更高的优势[6]。

本系统中微信小程序的主界面包含“设备详情”“数据记录”“我的家居”以及“一键智能”4个版块。首次登陆时，用户可以对不同的家居设备进行相应的添加操作，添加完成后，微信小程序可实时监控所添加设备的情况，并能够远程操控，形成方便、快捷、高效的管理模式[11]。并且微信小程序可以对设备的历史工作状态进行存储，方便用户随时查看和分析。当用户启动“一键智能”操作后，设备可依据环境的变化自动启动或关闭。例如，当温度超过阈值时，家里的空调可以自动打开并设置在预定的模式。当然温湿度的阈值和设备启动后的模式可以由用户自定义，这也体现了本系统人性化的特点。

4 系统运行与测试

本系统测试方案由按键功能测试、自动调节测试以及远程控制命令测试3部分组成。按键功能测试是在按下按键后通过观察LCD显示屏上的可设置参数是否发生改变来判断该部分是否正常工作。按下设置键后，LCD显示系统进入设置界面，随后按下加或减按键可以观察到显示屏上的阈值发生了相应改变。最终再次按下按键退出设置并返回主界面。自动调节测试有改变环境温湿度和修改阈值两种方法，本系统采用修改阈值的方式。根据显示屏上的温湿度调整阈值，使当前温湿度超出阈值范围，此时风扇启动且预警灯亮。远程控制命令测试是在微信小程序上发送指定的命令，观察下位机是否接收并执行命令，以此来判断该部分功能是否正常。发送打开风扇的命令后，风扇启动；发送关闭风扇的命令后，风扇关闭。同理，给步进电机和指示灯下发相应的命令，测试结果显示相关功能均正常。通过以上3部分测试后发现，系统运行稳定且功能正常。

由于面板坝输水建筑物要在偶发工况或相当长一段时间才有机会使用，有些问题不能及时暴露，一旦发生将导致工程安全运用的风险，所以，要及时总结高面板坝工程建设和运行中出现的问题，取得相关经验，为提高认识和采取有效措施提供借鉴。

5 结 论

本系统采用了DHT11温湿度传感器来采集数据，使用STC89C52单片机作为控制中心来处理数据，并使用ESP8266 WiFi模块收发信息，利用云服务器将设备控制端与智能设备终端联系起来，达到远程监控的目的。经过测试，该系统具有实时性和稳定性，并且使用方便快捷，还具有可远程操控和成本亲民等优点，在改善家居条件和提高居民生活水平方面发挥了积极的作用。