基于單片機和WiFi的智能室內環境監控系統設計

史艷紅 孫瓊菲

摘 要：隨著無線通信技術的快速發展，物聯網應用已擴展到多個行業領域。文中設計一種基于單片機與WiFi的智能室內環境監控系統，利用手機實現環境參數的監視與設備通斷控制。該系統主要由單片機系統、WiFi網絡及手機界面組成。單片機以STC89C52為主控芯片，采用DHT11溫濕度復合傳感器、GY-30光照傳感器實現參數檢測，并擴展繼電器模塊，控制電器設備。采用嵌入式UART-WiFi轉換模塊HLK-M35作為AP熱點，構建WiFi無線網絡，實現單片機與手機之間的無線數據傳輸?；贏ndroid studio開發環境及Java語言開發手機APP，利用手機實現參數監視與設備控制。實驗結果表明，文中系統具有環境溫濕度、光照強度參數自動檢測與監視、電器設備控制等功能，運行穩定可靠，手機界面清晰直觀，操作簡便。

關鍵詞：單片機;傳感器;繼電器;WiFi;AP熱點;手機APP

中圖分類號：TP274;TP319文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）04-00-03

0 引 言

智能家居系統的概念在20世紀就被提出，但其產業化近年才逐步開始，目前處于初期形成與長期發展的臨界點。智能家居可以通俗地理解為以住宅為平臺，利用物聯網技術將家中的音視頻設備、照明系統、窗簾控制及空調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境，提升生活品質。一個完整的智能家居環境監控系統主要包括環境信息采集、通信模塊及控制與執行機構三部分，其設計方案與實現方法多種多樣。

與智能家居類似，工農業生產中（如獨立工業生產車間、農業蔬菜大棚）與室內工作場合也提出了類似的智能室內環境監控要求。本文設計一種基于單片機技術與WiFi技術的智能室內環境監控系統，該系統是智能化監控需求的實現方式和應用設計，能夠實現室內環境參數檢測與設備控制功能，具有一定的應用價值。

1 系統總體結構設計

本文系統由三部分組成：負責采集數據的控制節點，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節點，構建WiFi網絡，實現單片機與手機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據，也可發送指令至單片機，控制電器設備通斷[2-3]。系統結構框圖如圖1所示。

系統主要有兩個功能：一是客戶端功能，用戶接入WiFi網關后可通過APP客戶端實時了解室內環境信息（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 單片機系統硬件設計

單片機部分主要負責檢測室內的環境參數，如檢測溫濕度、光照強度及執行電器通斷控制。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議，與STC89C52單片機之間的數據交換由此單總線（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，輸出對應亮度的數字值。STC89C52單片機通過I2C接口向傳感器發送控制命令并讀取環境光照數據。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、數據線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P2.0～P2.2端口輸出到繼電器線圈，實現電器設備通斷。單片機系統接線關系如圖2所示。

3 無線數據傳輸設計

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

2.4 G～2.483 5 GHz，發射功率為14～18 dbm，有串口及GPIO接口，串口波特率最高為115 200 bit/s，傳輸距離可達100～300 m，TCP最大連接數為4，工作溫度為-20～70 ℃。它基于通用串行接口，內置TCP/IP協議棧，可實現用戶串口-無線網（WiFi）之間的轉換。HLK-M35模塊可以配置為無線STA或AP，以便實現串口轉WiFi STA或串口轉WiFi AP。

HLK-M35模塊支持串口透明傳輸模式，其優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。得電后，該模塊可自動連接到設置的無線網絡與服務器。

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控[5-6]。HLK-M35模塊的RX及TX端與單片機收發端P3.0，P3.1交叉連接。

4 軟件設計

軟件設計包括單片機系統程序設計與手機控制中心APP軟件開發兩部分，兩者協同工作，共同實現環境信息的采集、處理、傳輸、顯示與設備操控。

4.1 數據采集與處理單片機主控程序設計

單片機系統上電后，單片機以及各模塊初始化，開串口中斷進入無限循環，后續依次為溫濕度數據采集、光照數據采集、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采集一次環境參數數據并發送至串口，串口按照濕度數據、溫度數據、光照數據依次調用子函數發送，發送完畢后軟件將TI清零。在串口發送數據的同時等待串口接收中斷，當有手機發來控制指令信息時，串口接收并解析數據，控制繼電器動作，通斷電器設備[7]。單片機系統主程序流程如圖3所示。

4.2 手機APP軟件設計

本文采用安卓系統手機作為上位機，開發的手機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環境下采用Java語言開發。程序開發采用多線程技術，為避免主線程被阻塞，監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，在子線程中監控服務器，然后根據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據。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聽器。每當點擊按鈕時，就會執行OnClickListener（）。此類功能主要用到UI、服務、提示、Socket等技術[8-10]。

實驗結果表明，本文系統很好地實現了環境參數的獲取、顯示及電器控制。手機APP實驗界面如圖5所示。

5 結 語

本文設計了一種基于單片機與WiFi的智能室內環境監控系統，利用手機即可實現對室內環境參數的檢測與設備控制。該系統包括以STC89C52單片機為核心的數據采集與電器控制節點、由HLK-M35通信模塊構建的負責廣播信息的WiFi AP節點及安裝有應用軟件的手機移動終端三部分。實驗結果表明，三者協同工作，能夠完成室內環境智能監控系統要求的溫濕度、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參數檢測與設備控制的實現方式。

參 考 文 獻

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[4]李朝青，劉艷玲.單片機原理及接口技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2013.

[5]馮智磊.基于WiFi網絡和單片機的智能室內LED照明系統設計[J].電氣應用，2015，34（2）：40-44.

[6]鄭希，王一甲，周金治.基于WiFi的智能家居系統設計[J].微型機與應用，2016，35（7）：67-68.

[7]馬忠梅，王美剛，孫娟，等.單片機的C語言應用程序設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2013.

[8]江燕良.基于Android智能終端的遠程控制系統[J].電子技術應用，2012，38（8）：129-132.

[9]郭霖.第一行代碼[M].北京：人民郵電出版社，2016.

[10]黃永麗，王曉，孔美云.Android應用開發完全學習手冊[M].北京：清華大學出版社，2015.