基于單片機和 WiFi 的智能室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計

引 言

智能家居系統(tǒng)的概念在 20 世紀就被提出，但其產(chǎn)業(yè)化近年才逐步開始，目前處于初期形成與長期發(fā)展的臨界點。智能家居可以通俗地理解為以住宅為平臺，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將家中的音視頻設備、照明系統(tǒng)、窗簾控制及空調(diào)控制等多種設備連接起來，提供多種多樣的功能，如手機或電腦遠程電器控制功能、溫濕度參數(shù)檢測功能、光照強度檢測功能等 [1]。智能家居的控制方式豐富多樣，如本地控制、手機遠程控制、網(wǎng)絡控制、定時控制等，多樣的控制方式可以避免繁瑣的過程從而提高效率。其目標是為用戶提供舒適安全及高效便利的生活環(huán)境，提升生活品質(zhì)。一個完整的智能家居環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主要包括環(huán)境信息采集、通信模塊及控制與執(zhí)行機構(gòu)三部分，其設計方案與實現(xiàn)方法多種多樣。

與智能家居類似，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中（如獨立工業(yè)生產(chǎn)車間、農(nóng)業(yè)蔬菜大棚）與室內(nèi)工作場合也提出了類似的智能室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控要求。本文設計一種基于單片機技術(shù)與 WiFi 技術(shù)的智能室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)是智能化監(jiān)控需求的實現(xiàn)方式和應用設計，能夠?qū)崿F(xiàn)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)檢測與設備控制功能， 具有一定的應用價值。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計

本文系統(tǒng)由三部分組成 ：負責采集數(shù)據(jù)的控制節(jié)點，以STC89C52 單片機為控制核心，并選配相應的溫濕度傳感器、光照傳感器及繼電器模塊 ；負責廣播信息的 AP 節(jié)點，構(gòu)建WiFi 網(wǎng)絡，實現(xiàn)單片機與手機 APP 之間的信息交互 ；安裝有應用軟件的手機移動終端，既可接收顯示傳感器數(shù)據(jù)，也可發(fā)送指令至單片機，控制電器設備通斷 [2-3]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示。

系統(tǒng)主要有兩個功能 ：一是客戶端功能，用戶接入 WiFi 網(wǎng)關后可通過 APP 客戶端實時了解室內(nèi)環(huán)境信息（傳感器檢測到的溫濕度、光照強度等）；二是設備控制功能，用戶打開手機 APP，通過點擊操作按鈕即可控制電器設備通斷。

2 單片機系統(tǒng)硬件設計

單片機部分主要負責檢測室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，如檢測溫濕度、光照強度及執(zhí)行電器通斷控制。該部分以 STC89C52 單片機為核心，溫濕度傳感器選用 DHT11 模塊，光照傳感器選用數(shù)字光強強度傳感器 GY-30 模塊 [4]。

DHT11 溫濕度傳感器可測量相對濕度與溫度，采用數(shù)字輸出方式，具有超長的信號傳輸距離、超低能耗等特點。該傳感器采用單總線通信協(xié)議，與 STC89C52 單片機之間的數(shù)據(jù)交換由此單總線（DATA）完成。本文設計中，以 1 路信號為例，單總線外接一個 4.7 kΩ 的上拉電阻，與單片機 P1.2口連接，當總線空閑時，被上拉電阻拉高為高電平。

光照傳感器 GY-30 的光譜靈敏度特性接近視覺靈敏度， 對應廣泛的輸入光范圍，且功耗低。該傳感器支持 I2C 總線接口，輸出對應亮度的數(shù)字值。STC89C52 單片機通過 I2C 接口向傳感器發(fā)送控制命令并讀取環(huán)境光照數(shù)據(jù)。本文設計中，以 1 路信號為例，光照傳感器的 I2C 總線時鐘線 SCL、數(shù)據(jù)線 SDA 分別與單片機 P1.0，P1.1 端口連接。

電器設備通斷控制選用松樂 SRD-05VDC-SL-C 電磁繼電器模塊。該繼電器有 5 個引腳，2 個引腳為繼電器線圈端子，3 個引腳為繼電器的觸點引出端，其中一個是公共端， 與另外兩個觸點分別構(gòu)成一對常閉觸點（NC）與一對常開觸點（NO）。本文設計中，擴展 3 個電磁繼電器控制 3 臺電器設備，單片機接收來自手機的電器設備通斷控制信號，經(jīng)P2.0 ～ P2.2 端口輸出到繼電器線圈，實現(xiàn)電器設備通斷。單片機系統(tǒng)接線關系如圖 2 所示。

3 無線數(shù)據(jù)傳輸設計

數(shù)據(jù)傳輸采用 WiFi 網(wǎng)絡實現(xiàn)， 選用海凌科電子公司設計生產(chǎn)的嵌入式 UART-WiFi（串口 - 無線網(wǎng)）模塊HLK-M35。該模塊使用 IEEE 802.11 協(xié)議棧網(wǎng)絡標準， 無線傳輸速率高達 150 Mbit/s，信道可達 14 個，頻率范圍為

2.4G～2.4835GHz，發(fā)射功率為 14～18dbm，有串口及GPIO接口，串口波特率最高為 115200bit/s，傳輸距離可達100～300 m，TCP最大連接數(shù)為 4，工作溫度為 -20～70 ℃。它基于通用串行接口，內(nèi)置 TCP/IP協(xié)議棧，可實現(xiàn)用戶串口 - 無線網(wǎng)（WiFi）之間的轉(zhuǎn)換。HLK-M35模塊可以配置為無線STA或 AP，以便實現(xiàn)串口轉(zhuǎn) WiFi STA或串口轉(zhuǎn) WiFiAP。

HLK-M35 模塊支持串口透明傳輸模式，其優(yōu)點是串口可即插即用。當模塊以透明傳輸模式運行時，用戶只需配置必要的參數(shù)。得電后，該模塊可自動連接到設置的無線網(wǎng)絡與服務器。

本文設計中，HLK-M35 模塊設置為 AP 熱點模式，手機可直接連接該模塊，方便對用戶設備進行監(jiān)控 [5-6]。HLK-M35 模塊的 RX 及 TX 端與單片機收發(fā)端 P3.0，P3.1交叉連接。

4 軟件設計

軟件設計包括單片機系統(tǒng)程序設計與手機控制中心 APP軟件開發(fā)兩部分，兩者協(xié)同工作，共同實現(xiàn)環(huán)境信息的采集、處理、傳輸、顯示與設備操控。

4.1 數(shù)據(jù)采集與處理單片機主控程序設計

單片機系統(tǒng)上電后，單片機以及各模塊初始化，開串口中斷進入無限循環(huán)，后續(xù)依次為溫濕度數(shù)據(jù)采集、光照數(shù)據(jù)采集、判斷手機控制信號等。溫濕度傳感器和光照傳感器均為每隔 1 ms 采集一次環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)并發(fā)送至串口，串口按照濕度數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、光照數(shù)據(jù)依次調(diào)用子函數(shù)發(fā)送，發(fā)送完畢后軟件將 TI 清零。在串口發(fā)送數(shù)據(jù)的同時等待串口接收中斷，當有手機發(fā)來控制指令信息時，串口接收并解析數(shù)據(jù)，控制繼電器動作，通斷電器設備 [7]。單片機系統(tǒng)主程序流程如圖 3 所示。

4.2 手機 APP 軟件設計

本文采用安卓系統(tǒng)手機作為上位機，開發(fā)的手機 APP 具備三種功能 ：建立與服務器連接，在手機界面查看室內(nèi)溫濕度和光照強度信息，點擊手機界面按鈕控制電器設備通斷。

程序設計主流程如圖 4 所示。

手機 APP 在 Android Studio 環(huán)境下采用 Java 語言開發(fā)。程序開發(fā)采用多線程技術(shù)，為避免主線程被阻塞，監(jiān)聽服務器消息放于子線程中運行，使用 Runnable 接口的方式定義子線程。

由于 Android 不允許在子線程中進行 UI 操作，故采用異步消息處理 Handler，在子線程中監(jiān)控服務器，然后根據(jù)what 值在 Handler 中進行判斷，處理 message 中的信息，刷新 UI 中的溫濕度和光照強度數(shù)據(jù)。部分關鍵 Java 程序如下 ：

當利用手機按鈕控制電器設備通斷時，在 MainActivity中為每個按鈕的點擊事件注冊監(jiān)聽器。每當點擊按鈕時，就會執(zhí)行 OnClickListener（）。此類功能主要用到 UI、服務、提示、Socket 等技術(shù) [8-10]。

實驗結(jié)果表明，本文系統(tǒng)很好地實現(xiàn)了環(huán)境參數(shù)的獲取、顯示及電器控制。手機 APP 實驗界面如圖 5 所示。

5 結(jié) 語

本文設計了一種基于單片機與 WiFi 的智能室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，利用手機即可實現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的檢測與設備控制。該系統(tǒng)包括以 STC89C52 單片機為核心的數(shù)據(jù)采集與電器控制節(jié)點、由 HLK-M35 通信模塊構(gòu)建的負責廣播信息的WiFi AP 節(jié)點及安裝有應用軟件的手機移動終端三部分。實驗結(jié)果表明，三者協(xié)同工作，能夠完成室內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)要求的溫濕度、光照強度自動檢測、電器設備控制等功能，具有高可靠性、良好的適用性及擴展性，是一種較好的智能室內(nèi)參數(shù)檢測與設備控制的實現(xiàn)方式。