基于单片机的远程温度监测和控制设计92633

基于单片机的远程温度监测和控制设计92633
基于单片机的远程温度监测和控制
REMOTED DISTANCE TEMPERATURE MONITOR AND RELAY CONTROL BASED ON MICROCONTROLLOR
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摘要
物联网是指物体的信息通过智能感应装置，经过网络传输，实现物与物、人与物之间的自动化信息交互、处理的一种智能网络。

主要将无线射频识别和无线网传感网络结合使用，为用户提供生产生活的监控、指挥调度、远程数据采集和测量、远程诊断等方面的服务。

本设计主要通过温度传感器采集环境温度数据，应用单片机对这些数据进行处理和显示，同时利用以太网模块上传这些数据至远端物联网服务器。

服务器对用户身份验证后进行数据存储和处理，并绘制出温度变化曲线。

与此同时，服务器端对继电器状态进行实时检测，通过互联网把继电器状态改变信息发回单片机，从而使单片机对继电器执行相应的控制。

除此之外，本系统可以远程进行温度过高和温度过低邮件提示设置。

利用互联网优势，拓展了网络授时功能，实现了实时远程温度监测和继电器远程控制。

关键词：物联网；以太网；单片机；传感器
ABSTRACT
Internet of Things refers to an intelligent network, which included the information of object coming from the intelligent sensing device, transmitted through the network, automated information exchange between things and things, and between persons and things. The main structure is combining RFID and Wireless Sensor Networks, be able to provide users with monitoring the production of life, dispatching, remote data acquisition and measurement, remote diagnostics and other services.
The design is mainly used to collect temperature data through the temperature sensor, apply microcontroller to process these data and display on the Nokia5110 display, and upload these data to a remote server networking via the Ethernet module. After user being authenticated by the server, then server stores and processes these data, as well as draw out the temperature-trend curve on the web. At the same time, the server-side detects the relay control information real-timely, and transferring the relay information back to the microcontroller through the Internet if switch changed, make sure the microcontroller will base on the information to control the relay. In addition, the system can email to the user if the temperature is too high or too low, the alarm value can be changed remotely by logging web. To take full advantage of Internet, expanding the function of network time and date display. The final function mainly contains real-time and remote-distance temperature monitor and relay-control.
Key Words:Internet of Things, Ethernet, MCU, Sensor
目录
第一章绪论 (1)
第一节课题研究背景 (1)
第二节物联网应用领域 (2)
第二章总体方案设计 (4)
第一节控制系统介绍 (4)
第二节系统硬件介绍 (6)
第三节物联网常用组网技术 (10)
第四节国内物联网平台 (12)
第三章功能介绍 (16)
第一节基本功能 (16)
第二节拓展功能 (17)
第三节参数设置界面 (18)
第四节温度在不同网络状态下的显示方式 (21)
第四章程序设计 (23)
第一节流程图设计 (23)
第二节以太网模块程序设计 (24)
第三节温度传感器和继电器控制程序 (26)
第四节网络授时程序设计 (28)
结束语29
参考文献30
致谢31
文献翻译
附录
天津科技大学2014届本科生毕业设计
第一章绪论
第一节课题研究背景
随着新世纪科学技术的进步，人民收入的大幅增加，生活水平的改善，人们更加注重丰富多彩的精神文化生活，其表现形式更加的丰富、多样化，其中以方便人民生活为前提，以智能化为发展方向的物联网，正对我们的生活方方面面产生巨大的影响。

物联网概念从1999年提出到2010年的崛起，历经10年，特别是近两年的发展更为迅速，不在停留在单纯的概念、设想阶段，而是升级为国家重点战略，政府支持的对象。

以下列出物联网发展历程中的几个关键点。

2005年，国际电信联盟发布了《ITU互联网报告2005：物联网》。

2009年初，美国 IBM公司，提出“智慧地球”，认为：信息产业的下一阶段的任务就是把新一代信息应用到生活的方方面面，具体就是把传感器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，从而组成传感网。

而后通过超级计算机和“云计算”对传感数据进行处理。

最终形成“互联网+物联网=智慧的地球”的状态，以应对金融危机、能源危机和环境恶化。

2009年8月，日本提出“智慧泛在”构想，将传感网列为国家重要战略。

2010年3月，国务院中立温家宝在《政府工作报告》中，将“加快物联网的研发应用”明确归纳重点产业振新，表明物联网一经被提升为国家战略。

任何新兴科学技术都会为人类社会的经济发展带来机遇，信息技术的革命和产业的发展，将社会经济的发展引入了一片广阔的天地。

信息产业发展到今天，互联网的广泛使用已然人们不再有新鲜感。

一批新型产业已在酝酿之中。

物联网是以计算机因特网为基础，利用传感器RFID、条形码等技术。

所谓一“网”联天下，万物为一“家”，以这个网络为中心，所有物品可以进行“自由交流”，而无需人的干涉，将人从管理和使用物品的繁琐环节中解脱出来。

攻克感知层、网络层、应用层等方面涉及到的关键技术。

可以想象，当物联网出现了以后，人的视野会延伸到世界各个角落。

物联网的应用领域
物联网在未来的各行各业的应用将势不可挡，遍及生活的方方面面，大到航空航天，小到商品微型电子标签。

以下列举几个物联网的未来应用领域：
1.精细农牧业
把物联网应用到农业生产，农民将可以通过手机来检测农作物的病变情况，借助遍布农场的无线传感网来搜集信息，并确定疾病的风险等
级。

在满足农户需求的情况下，可以对环境温度，土壤湿度，农药残留
量等方面进行监测，以及实时监测光照、土壤温度、二氧化碳浓度、叶
面湿度、露点温度等环境参数，经由无线信号收发模块传输数据，实现
对农场基本参数温湿度的采集和检测，在满足触发阈值情况下，对相应
设备进行自动化操作。

由于人们对生活品质的要求逐渐提高，绿色农业
将为蔬菜种植的绿色化提供保障，可以利用结合物联网的生物技术对农
作物的农药残留量进行监测，一方面减少了因过量使用农药对我们身体
健康造成的伤害；另一方面也减少了农民的农作物管理成本支出。

在粮库内安装各种温度、湿度传感器，通过以太网将粮库内环境变化参数通过手机实时传输给粮库管理人员，从而方便粮库管理人员对粮
库内温湿度进行科学地调整，更有利于粮食的保存。

在牛、羊等畜牧体内植入传感芯片，放牧时可以对其进行跟踪，从而使牧场管理更加高效和智能化。

同时物联网也在金融与服务业、医疗服务、花卉栽培、水系监测、食品
溯源、环境与安全检测、国防军事等方面得到足够的重视和应用。

当然
物联网的应用不局限于上述领域，用一句形象的化来说就是“网络无所
不达，应用无所不能”。

有一点值得我们确定的是，物联网的出现和推
广必将极大地改变我们的生活。

2．智能交通
利用物联网技术，通过传感器实时感知电动汽车的运行状态、电池使用状态、充电设施状态以及当前网内能源供给状态并进行综合分析，实现整车一体化的实时监测和遇到险情时的紧急控制。

将物联网应用于交通领域，可以使交通智能化。

例如司机可以通过车载信息智能终端享全方位的综合服务，包括动态导航服务、位置服务、车辆保障服务、安全驾驶服务、娱乐服务、咨询服务等。

通过这样的信息采集、高速收费智能化，节省出行时间。

同时还可以对驾驶员的酒精度进行监测，如果检测值过高，将不会启动汽车，不但保障了车主的安全，也保证了行人的安全，
3、智能物流
物联网极大地促进了物流的智能化发展。

例如发展较快的智能快递，实质基于物联网的广泛应用基础上，应用先进的信息采集，信息处理，信息流通和信息管理技术通过在需要寄件的物品上嵌入电子标签、二维码等，通过无线网络的方式将相关信息及时发送到后台信息处理系统，疙瘩信息系统可以形成一个庞大的网络。

实现快递业务跟踪，监控并能智能化管理的目的。

4、智慧城市
智慧城市是未来城市的大发展方向，借助现在兴起的物联网行业，将对智慧城市的实现提供可靠的保障和坚实的基础。

其中智慧城市可以
划分为智慧公园，例如城市公园可利用空间的监控，公园的设施使用情况的监测，如果设施设备出现故障或者遭到破坏，将通过相关传感器检测并监视，把情况实时反馈给公园管理人员，从而可以为无人化公园管理提供可靠的保障；同时现代建筑物，可以利用震动传感器来进行监控，同时也能监控建筑物的材料的状况，从而可以避免现在市场出现的危房倒塌，危机人员生命等惨状，同理可以应用到桥梁和历史博物馆的监测上；智能手机监测，智能手机是智慧城市的一个很好的监控终端，例如应用到道路交通方面，可以实时进行道路交通车辆流量的监控以及意外的交通事故等信息，智能交通管理系统将实时通过短信等形式发回给驾驶员，从而驾驶员可以根据交通信息确定最佳的行车路线，进而大大提升了道路的应用率和缓解了交通压力。

除此之外，城市的灯光控制也可以借助光传感器来实现，传感器进行照度的监测来判断天气情况，从而进行道路灯光的智能化管理和自适应性控制，很大程度上提高了路灯的利用率，不仅节省了大量的电能消耗，也使城市路灯管理更加智能化。

在垃圾管理方面的应用，可以应用到垃圾的智能分类以及优化垃圾收集路线，例如在垃圾回收清理之前可以提前提醒住户，把垃圾送到门外的垃圾箱里，从而更高效、适用地进行垃圾的搜集，不仅方面居民的生活，同时提升了城市的形象。

第二章总体方案设计
第一节控制系统介绍
一、控制系统方框图：
双向箭头表示交互式数据传输：
图2-1 工作流程图
二、
系统架构
本系统构架如图2-2，自下而上分别是Mega2560单片机最小系统，enc28j60以太网模块，2路带光耦的电磁继电器模块（只用到其一），以及最顶层的诺基亚5110显示屏。

除此之外，温度传感器（达拉斯ds18b20）被安置在另外一块迷你面包板上，通过杜邦线连接到单片机数字输入引脚2，各模块之间都通过杜邦线连接至核心控制板。

在此说明一下，模块与模块之间都用铜柱固定，稳定性得到大幅提高，图中的2-2的白色柱属于塑料柱子，主要功能起到支撑和绝缘的作用，以免引起短路烧坏单片机系统。

图2-2 整体结构布置图
三、设计思路
本系统采用国内外流行的开源单片机Mega2560作为最小控制系统，结合了诺基亚5110显示屏和微星公司生产的简易廉价以太网芯片ENC28J60，实现了基于互联网的远程温度监测和远程继电器开关状态控制。

系统本身基于yeelink （亿联）物联网平台，同时连接到全球网络授时中心，实现了当前环境温度和电磁继电器开关状态以及网络日期和时间的显示，并通过以太网模块把温度数手机控制网页控制
据上传至物联网服务器，数据经存储后，经过物联网服务器处理，然后以曲线的形式实时显示在网页上或者手机客户端；继电器控制主要通过以太网模块库函数里的http post命令实现了对服务器数据的发送，同时可以方便获得服务器返回数据，如果服务器检测到物联网网页或者手机客户端继电器开关状态发生改变，服务器数据将立刻得到更新，并通过http post命令把数据经过互联网传输至单片机终端，单片机接收到数据以后，根据数据信息控制继电器执行相应的动作，进而完成对继电器的控制。

为了防止温度过高或者过低对系统应用场所造成的经济损失，系统特别设置了温度过高和过低报警，并借助yeelink物联网平台的强大功能，实现了温度过高和过低邮件提醒功能，使农业生产管理更加方便监控和高效，也更智能化。

报警考虑到以下方面：1、温度的超限报警，由于设备环境温湿度要求能够保持在一定的范围内，当监测到实际温湿度超过设定范围，系统将发送电子邮件至用户邮箱，这样方便工作人员检查和维护。

2、传感器（温度传感器）和网络连接故障提示。

这些模块都是电子设备，且长期暴露在相对潮湿的环境之中，比较容易出现电子元器件氧化、网络接口处氧化生锈或者接触不良等问题，如果设备出现这种故障便会影响显示结果，当这些故障出现时，显示屏界面显示将发生改变从而提醒工作人员进行排查和检修。

温度传感器是将现场采集到的数据经过微控制器分析处理、输出显示且同步上传至服务器。

网页端的历史温度曲线指示了温度变化的过程，供工作人员整理比较。

第二节系统使用芯片模块说明
本系统采用的显示屏为诺基亚5110显示屏，分别使用了Atmel芯片厂商的Mega2560作为核心控制芯片和enc28j60作为以太网芯片，同时还使用了达拉斯公司的精密温度传感器ds18b20，配合两路带光耦合的继电器模块，实现毕业设计所需功能。

在此对显示屏和微控制芯片、网络模块以及温度传感器、继电器模块进行相关介绍。

一、显示屏
诺基亚5110显示屏功能特点：
1、硬件采用CMOS工艺，实现低功耗。

2、84x48 的点阵LCD，可以显示4 行汉字。

相比LCD12864，高性能。

3、引脚少。

相比LCD1602，LCD12864对单片机资源占用少
4、编程简单。

初始化程序不繁琐，容易学习和应用
5、采用低电压供电，正常显示时的工作电流在200μA左右。

二、单片机
微控制器的主要部分是一个微型计算机集成在一个单片微型计算机芯片。

单片机诞生于70年代中期，现在，成本较低，功能越来越强大，这使得在生活中的许多领域有着无处不在的应用。

如电机控制，条形码阅读器/扫描器，电话，暖通空调，楼宇安全和访问控制，工业控制及自动化和白色家电等领域。

本设计选择 Mega2560作为系统所用微控制器，Mega2560是采用USB接口的核心电路板，具有54路数字输入输出，适合需要大量IO接口的设计。

同时具有54路数字输入/输出口（其中16路可作为PWM输出），16路模拟输入，4路UART接口，一个16MHz晶体振荡器，一个USB口，一个电源插座，一个ICSP header和一个复位按钮。

Arduino Mega2560也能兼容为Arduino UNO设计的扩展板，其主要特点如下：
1、可靠性高，具有很强的抗干扰能力。

2、自带DA/AD转换，功能完善，适用性强。

3、开源单片机，网络学习资源丰富，易学易用。

4、引脚丰富、相比arduino uno功能多，flash空间大，支持大容量程序烧写，运行速度快，拓展空间大。

5、函数采用库封装模式，编程简单，降低入门门槛。

6、宽电压范围输入，输入电压5v〜12v，最小系统板载电源稳压芯片，输出电压可选5v和3.3v，极大方便广大用户使用。

7、通信接口丰富，自带TWI（SDA和SCL）接口；支持I2C通信；支持SPI 通信接口。

三、温度传感器
（一）温度传感器通信总线
在大多数传统的温度检测传感器中，热敏电阻，可以满足40℃-90℃测量范围要求，但介于热敏电阻的可靠性，主要用于测量温度精度要求低于1℃的误差要求。

除此之外，需要专门设计一个特殊的模数转换接口电路，以便使用微控制器进行数字信号的转换。

常用的数据通信主要是I2C总线， SPI总线等，PC 和外围设备之间目前主要采用串行总线。

I2C总线分为一个时钟线，数据线，SPI 总线用3线同步串行通信。

单总线（one-wire总线），采用单根信号线，可以传输数据，并且数据传输是双向的， CPU端口线可以有很多的设备与单一总线进行通信，且单片机引脚占用少。

因此，这种单总线技术的使用使外围电路变得简单，减少了硬件开销，成本低，软件设计简单，易于总线扩展和维护。

（二）数字温度传感器ds18b20优点
DS18B20以封装体积小，适用电压宽，经济，从而适用于小系统中，其优点如下：
（1）使用单个微处理器总线接口实现微处理器与DS18B20的双向通信连接。

单总线设计节省单片机资源，抗外界扰动能力强，适合野外恶劣环境的
温度测量；易用性，使用户能够轻松构建无线传感器网络测量系统。

（2）温度测量范围宽。

DS18B20测温范围为-55℃〜+125℃ ;在-10℃〜+85℃，精度误差控制在±0.5℃的范围内。

（3）可以两个以上DS18B20同时，只需占用一个端口就可实现多点温度测量。

减少硬件开销。

（4）宽电压供电。

可以正常工作在3.3v〜5v的系统中，从而使其得到广泛的应用。

（5）测量精度可以编程配置。

DS18B20测温分辨率可设定为9〜12位。

（6）掉电保护。

DS18B20包含一个内部的EEPROM ，在系统断电时，它仍然可以保存报警设定点的温度和分辨率。

四、网络模块
（一）以太网
通常W5100和ENC28J60都是被常常使用到的芯片，W5100技术较enc28j60成熟，对系统资源要求不高。

在传统单片机的以太网接入中被广泛使用，此外在开源硬件的以太网扩展中同样发挥的重要作用。

（二）Enc28j60以太网控制器特性
Enc28j60工作参数
➢使用的7个中断源，分布在两个引脚中。

➢25MHz时钟晶振。

数据处理速度快。

➢工作电压范围从3.14v〜3.45v；TTL电平输入。

➢温度范围：工业级的芯片-40摄氏度到+85摄氏度，商业级为0度到+70度，仅限SSOP封装。

➢引脚最大驱动电流为4毫安到12毫安不等；引脚可接受输入电压为5v。

W5100属于Arduino官方出品，性能稳定，单片机资源占用少，节省了MCU资源，但是硬件模块整体体积大，且价格比enc28j60贵很多。

Enc28j60属于第三方产品，采用微星公司的以太网芯片，该芯片没有成熟的TCP/IP协议栈，对单片机的资源占用大，且初始化时，网络状态解析时间过长，两者发热量和功耗相当。

出于本系统的设计考虑，要求整体尺寸尽量小，从而使用enc28j60以太网模块完全可以满足设计要求，加之enc28j60价格便宜，所以最终选定enc28j60作为我们的以太网接入使用芯片。

五、继电器
继电器具有控制系统输入电路和被控系统输出电路，继电器基本原理和目的是使用小电流控制较大电流的电路。

它起到了自动调整电路、电路安全切换的作用。

图2-3继电器内部解剖
（一）继电器技术参数
直流电阻是指继电器中线圈的直流电阻，可以通过三用电表测量。

释放电流或电压是指继电器产生释放动作的最大电流或最大电压。

当继电器吸合状态的电流减小到一定程度时。

触点切换电压和电流是指继电器接点允许承载的电压和电流。

它决定了继电器能控制的电压和电流大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点。

继电器测试
测触点电阻，用万用电表的电阻档，测量常闭触点与动点电阻，其阻值应为0；而常开触点与动点的阻值就为无穷大。

由此可以区别出哪个是常闭触点。

测量释放电压和释放电流也是像上述那样连接测试，当继电器发生吸合后，再逐渐降低供电电压，当听到继电器再次发生释放声音时，记下此时的电压和电流，亦可尝试多几次而取得平均的释放电压和释放电流。

当控制电压地狱十分之一吸合电压时，则不能正常使用了，这样会对电路的稳定性造成威胁，工作不可靠。

本设计考虑到电磁继电器在切换的瞬间会对单片机外围电路产生电磁干扰，容易造成误触发，同时防止干扰通过继电器的电路进入系统，所以在继电器驱动电路之间设置一个光耦合器，可以有效消除继电器切换时产生的脉冲冲击和避免把外界干扰带入系统，光耦合器在此的应用起到了良好的抗干扰的隔离作用。

图2-4 带光耦合的2路继电器电路
模块参数
1.继电器选用优质松乐继电器，单刀双掷。

一个公共端、一个常开端、一个常闭端
2.光耦隔离，抗干扰性好
3.低电平吸合，高电平释放。

六、面包板
（一）面包板简介
面包板，因其板面上有许多的小插孔而得名。

各种电子元器件可根据需要随意地插入或者拔出，免去焊接，同时使用过的电子元器件可以随时拔插，任意组装再使用，所以修改时较为方便，主要用于构造电子样品，作为前期教学和训练使用。

与印刷电路板不同的是，它不采取软钎焊，无焊面包板由塑料与众多的锡磷青铜镀或根据穿孔镍银合金弹簧夹穿孔块，该片段通常被称为连接点或接触点。

连接点的数量通常在面包板的规范中给出。

是电子设计中所常用的一种基底。

无焊面包板的优点是体积小，易携带，但缺点是比较简陋，电源连接不方便，而且面积小。

不宜进行大规模电路实验。

若要用其进行大规模的电路实验，则要用螺钉将多个面包板固定在大木板上，再用导线相连接。

（二）面包板内部结构
面包板内部结构如下图所示，一般情况规定将每5个小孔板用一条金属条连接。

板子中央凹槽是针对需要集成电路、芯片试验而设计的。

板子两侧有两排竖着的5个一组插孔。

这两组插孔是用于给板子上的电子元器件提供电源，母板。