基于单片机和WiFi的智能室内环境监控系统设计

基于单片机和WiFi的智能室内环境监控系统设计

作者：史艳红孙琼菲

来源：《物联网技术》2019年第04期

摘要：随着无线通信技术的快速发展，物联网应用已扩展到多个行业领域。文中设计一种基于单片机与WiFi的智能室内环境监控系统，利用手机实现环境参数的监视与设备通断控制。该系统主要由单片机系统、WiFi网络及手机界面组成。单片机以STC89C52為主控芯片，采用DHT11温湿度复合传感器、GY-30光照传感器实现参数检测，并扩展继电器模块，控制电器设备。采用嵌入式UART-WiFi转换模块HLK-M35作为AP热点，构建WiFi无线网络，实现单片机与手机之间的无线数据传输。基于Android studio开发环境及Java语言开发手机APP，利用手机实现参数监视与设备控制。实验结果表明，文中系统具有环境温湿度、光照强度参数自动检测与监视、电器设备控制等功能，运行稳定可靠，手机界面清晰直观，操作简便。

关键词：单片机;传感器;继电器;WiFi;AP热点;手机APP

中图分类号：TP274;TP319 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2019）04-00-03

0 引言

智能家居系统的概念在20世纪就被提出，但其产业化近年才逐步开始，目前处于初期形成与长期发展的临界点。智能家居可以通俗地理解为以住宅为平台，利用物联网技术将家中的音视频设备、照明系统、窗帘控制及空调控制等多种设备连接起来，提供多种多样的功能，如手机或电脑远程电器控制功能、温湿度参数检测功能、光照强度检测功能等[1]。智能家居的控制方式丰富多样，如本地控制、手机远程控制、网络控制、定时控制等，多样的控制方式可以避免繁琐的过程从而提高效率。其目标是为用户提供舒适安全及高效便利的生活环境，提升生活品质。一个完整的智能家居环境监控系统主要包括环境信息采集、通信模块及控制与执行机构三部分，其设计方案与实现方法多种多样。

与智能家居类似，工农业生产中（如独立工业生产车间、农业蔬菜大棚）与室内工作场合也提出了类似的智能室内环境监控要求。本文设计一种基于单片机技术与WiFi技术的智能室内环境监控系统，该系统是智能化监控需求的实现方式和应用设计，能够实现室内环境参数检测与设备控制功能，具有一定的应用价值。

1 系统总体结构设计

本文系统由三部分组成：负责采集数据的控制节点，以STC89C52单片机为控制核心，并选配相应的温湿度传感器、光照传感器及继电器模块;负责广播信息的AP节点，构建WiFi网络，实现单片机与手机APP之间的信息交互;安装有应用软件的手机移动终端，既可接收显示传感器数据，也可发送指令至单片机，控制电器设备通断[2-3]。系统结构框图如图1所示。

系统主要有两个功能：一是客户端功能，用户接入WiFi网关后可通过APP客户端实时了解室内环境信息（传感器检测到的温湿度、光照强度等）;二是设备控制功能，用户打开手机APP，通过点击操作按钮即可控制电器设备通断。

2 单片机系统硬件设计

单片机部分主要负责检测室内的环境参数，如检测温湿度、光照强度及执行电器通断控制。该部分以STC89C52单片机为核心，温湿度传感器选用DHT11模块，光照传感器选用数字光强强度传感器GY-30模块[4]。

DHT11温湿度传感器可测量相对湿度与温度，采用数字输出方式，具有超长的信号传输距离、超低能耗等特点。该传感器采用单总线通信协议，与STC89C52单片机之间的数据交换由此单总线（DATA）完成。本文设计中，以1路信号为例，单总线外接一个4.7 kΩ的上拉电阻，与单片机P1.2口连接，当总线空闲时，被上拉电阻拉高为高电平。

光照传感器GY-30的光谱灵敏度特性接近视觉灵敏度，对应广泛的输入光范围，且功耗低。该传感器支持I2C 总线接口，输出对应亮度的数字值。STC89C52单片机通过I2C接口向传感器发送控制命令并读取环境光照数据。本文设计中，以1路信号为例，光照传感器的I2C 总线时钟线SCL、数据线SDA分别与单片机P1.0，P1.1端口连接。

电器设备通断控制选用松乐SRD-05VDC-SL-C电磁继电器模块。该继电器有5个引脚，2个引脚为继电器线圈端子，3个引脚为继电器的触点引出端，其中一个是公共端，与另外两个触点分别构成一对常闭触点（NC）与一对常开触点（NO）。本文设计中，扩展3个电磁继电器控制3台电器设备，单片机接收来自手机的电器设备通断控制信号，经P2.0～P2.2端口输出到继电器线圈，实现电器设备通断。单片机系统接线关系如图2所示。

3 无线数据传输设计

数据传输采用WiFi网络实现，选用海凌科电子公司设计生产的嵌入式UART-WiFi（串口-无线网）模块HLK-M35。该模块使用IEEE 802.11协议栈网络标准，无线传输速率高达150 Mbit/s，信道可达14个，频率范围为

2.4 G～2.483 5 GHz，发射功率为14～18 dbm，有串口及GPIO接口，串口波特率最高为115 200 bit/s，传输距离可达100～300 m，TCP最大连接数为4，工作温度为-20～70 ℃。它基于通用串行接口，内置TCP/IP协议栈，可实现用户串口-无线网（WiFi）之间的转换。HLK-M35模块可以配置为无线STA或AP，以便实现串口转WiFi STA或串口转WiFi AP。

HLK-M35模块支持串口透明传输模式，其优点是串口可即插即用。当模块以透明传输模式运行时，用户只需配置必要的参数。得电后，该模块可自动连接到设置的无线网络与服务器。

本文设计中，HLK-M35模块设置为AP热点模式，手机可直接连接该模块，方便对用户设备进行监控[5-6]。HLK-M35模块的RX及TX端与单片机收发端P3.0，P3.1交叉连接。

4 软件设计

软件设计包括单片机系统程序设计与手机控制中心APP软件开发两部分，两者协同工作，共同实现环境信息的采集、处理、传输、显示与设备操控。

4.1 数据采集与处理单片机主控程序设计

单片机系统上电后，单片机以及各模块初始化，开串口中断进入无限循环，后续依次为温湿度数据采集、光照数据采集、判断手机控制信号等。温湿度传感器和光照传感器均为每隔1 ms采集一次环境参数数据并发送至串口，串口按照湿度数据、温度数据、光照数据依次调用子函数发送，发送完毕后软件将TI清零。在串口发送数据的同时等待串口接收中断，当有手机发来控制指令信息时，串口接收并解析数据，控制继电器动作，通断电器设备[7]。单片机系统主程序流程如图3所示。

4.2 手机APP软件设计

本文采用安卓系统手机作为上位机，开发的手机APP具备三种功能：建立与服务器连接，在手机界面查看室内温湿度和光照强度信息，点击手机界面按鈕控制电器设备通断。程序设计主流程如图4所示。

手机APP在Android Studio环境下采用Java语言开发。程序开发采用多线程技术，为避免主线程被阻塞，监听服务器消息放于子线程中运行，使用Runnable接口的方式定义子线程。