黃萍萍，羅清雄，鄭月瀅，倪偉傳，萬智萍

（中山大學新華學院，廣州 510520）

0 引言

在物聯(lián)網(wǎng)[7]快速發(fā)展的情況下，在越來越多的領域中應用智能化[1,3]的手段來解決問題。香薰機是通過散發(fā)出來的活氧負離子，與空氣中有害的氣體分子產(chǎn)生強力反應、綜合清除，已達到凈化空氣的作用，也可以讓室內空氣變得清新些，使得環(huán)境空間中更加適宜。目前，香薰機的控制大多數(shù)處于依靠手動調節(jié)的狀態(tài)，而且空間環(huán)境中的溫濕度調節(jié)往往被忽略。在市場中，有極少部分香薰機利用語音進行遠程控制，但該遠程控制系統(tǒng)中僅僅完成了遠程控制，未考慮對實際環(huán)境空間的影響，并沒有設計出智能調控的軟硬件協(xié)作系統(tǒng)。

因此，我們此研究項目是基于IOT技術[2,5,14]的智能香薰控制系統(tǒng)，增加了時間、溫濕度的顯示，使得用戶可通過OLED的顯示來操控香薰機。利用LED三色光來顯示香薰機散發(fā)的強弱狀態(tài)，更好地智能控制香薰機使其運作。本系統(tǒng)以STM32F107為核心控制器，可根據(jù)需要連接多個傳感器模塊，實時的對環(huán)境進行數(shù)據(jù)采集，使用戶可以在移動客戶端上詳細了解到溫濕度的具體情況且可根據(jù)不同的需要進行控制智能香薰機，操作簡單、智能調控等優(yōu)點。

1 整體系統(tǒng)結構

本系統(tǒng)主要包括硬件系統(tǒng)模塊、軟件系統(tǒng)模塊、客戶端智能控制模塊三大核心模塊。整個系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構圖

硬件系統(tǒng)模塊：系統(tǒng)將DHT11數(shù)字溫濕度傳感器、DS3231、OLED顯示屏模塊等接入到STM32F107VC主板通過ESP-8266WIFI模塊[4,6,8]接入云服務器，把各傳感器的數(shù)據(jù)傳給指定云服務器，數(shù)據(jù)將存入云服務器后臺的MySQL數(shù)據(jù)庫。通過從數(shù)據(jù)庫提取出各個傳感器的值，利用HelloChart繪制出溫濕度曲線圖，用戶可通過登錄APP端實現(xiàn)查看所屬空間的溫濕度的情況,

為了保持無線模塊的穩(wěn)定性以及通信的安全性，本系統(tǒng)采用性能穩(wěn)定的ESP-8266模塊采用AP模式，該模塊加密類型有：WEP64/WEP128/TKIP/AES，通過路由器訪問云服務器進行數(shù)據(jù)的傳遞，安全性高且穩(wěn)定性好。

軟件系統(tǒng)模塊：用戶可通過登錄手機APP點擊控制按鈕，通過網(wǎng)絡將控制指令發(fā)送服務器，STM32F107VC控制板從服務器獲取指令對香薰機進行操作，實現(xiàn)遠程操控。根據(jù)數(shù)據(jù)的反映進行合理的強弱控制，利用LED燈來顯示香薰機散發(fā)強弱。根據(jù)溫濕度的反映設置定時器，通過設置定時器控制香薰機的開關，避免香薰的浪費以及使用，也進一步避免香薰機因運作過長而散發(fā)有害物質。

客戶端智能控制模塊[11～13,15]：用戶利用APP移動端可方便快捷查看所屬空間溫濕度的變化，當溫濕度的值超過最適宜的值時，系統(tǒng)會自動按所設定的策略執(zhí)行以及對香薰機進行遠程監(jiān)控。

2 系統(tǒng)硬件設計

硬件系統(tǒng)主要由多模塊形式構成，利用不同功能模塊組成，有效降低了系統(tǒng)的構造成本，優(yōu)化了系統(tǒng)的總體性能。系統(tǒng)主要由DHT11數(shù)字溫濕度傳感器、時鐘信號、OLED顯示屏、LED等模塊組成，以STM32F107VC作為主控芯片，溫濕度傳感器所采集環(huán)境空間中的數(shù)據(jù)信息交由給主控芯片進行優(yōu)化處理，實現(xiàn)與APP移動端[9,10]的控制平臺溫濕度數(shù)據(jù)展示以及對香薰機的智能調控等；數(shù)據(jù)傳輸通過ESP-8266 WIFI模塊進行無線收發(fā)，實現(xiàn)與APP移動端之間的命令和溫濕度數(shù)據(jù)信息的無線傳輸；APP移動端的控制平臺主要對接收到的溫濕度數(shù)據(jù)曲線展示和對香薰機的遠程調控。

當主控芯片接收來自云端的命令指令對香薰機進行智能調控時，對主控芯片發(fā)送控制的格式為：

2.1 溫濕度數(shù)據(jù)采集

溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊是由DHT11數(shù)字溫濕度傳感器和STM32F107VC主板構成，DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一個校準的數(shù)字信號輸出復合型傳感器，可同時檢測環(huán)境空間中溫度和濕度，測量范圍攝氏度溫度為0～50℃，相對濕度為20%～90%RH。系統(tǒng)通過DHT11數(shù)字溫濕度傳感器對環(huán)境空間中的溫濕度情況進行數(shù)據(jù)采集，將采集到數(shù)據(jù)通過ESP-8266WIFI模塊傳輸至云端保存并處理數(shù)據(jù)。OLED顯示屏中實時反映了溫濕度的數(shù)值。

2.2 核心控制器

根據(jù)整體系統(tǒng)以及功能的需求，本系統(tǒng)采用以8051為內核單時鐘/機器周期的STM32F107VC的單片機作為硬件核心控制器。因為該單片機有集成SRAM、FLASH、計時器/定時器、I/O接口、SPI、12位A/D轉換、看門狗以及串口在線編程等外圍模塊。包含了數(shù)據(jù)采集和OLED顯示以及其他控制功能模塊，滿足了系統(tǒng)設計的總體要求。

圖2 STM32F10VC原理圖

3 系統(tǒng)軟件設計

在本系統(tǒng)中采用無線傳輸方式將所采集的參數(shù)傳輸至APP移動端。無線WIFI模塊有多種工作模式，在系統(tǒng)中采用AP模式下，首先對ESP-8266無線WIFI模塊進行初始化設置，根據(jù)無線傳輸通訊協(xié)議，從主控芯片的串口給無線WIFI模塊發(fā)送AT指令，完成初始化指令等。將采集的數(shù)據(jù)通過ESP-8266無線WIFI模塊傳輸至指定的服務器，后端服務接收到來自ESP-8266WIFI模塊透傳的數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)分析處理，將處理后的數(shù)據(jù)存儲至MySQL數(shù)據(jù)庫中。用戶通過訪問APP移動端可詳細了解任意時刻溫濕度的數(shù)值，且可對香薰機實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

3.1 APP應用程序具有的功能

用戶在APP上可以在首頁查看溫濕度的曲線圖，查看即時數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)，在遠端進行控制，還可以瀏覽一下生活資訊，APP移動端具有較完善的功能，主要由溫濕度數(shù)據(jù)、遠程調控、生活資訊構成，且頁面友好，方便操作。

3.2 APP控制過程

用戶通過登錄手機APP端查看溫濕度數(shù)據(jù)變化，當溫濕度超過最適宜時，可通過APP設定所需操作，來控制香薰機，為我們所需的適宜環(huán)境進行設置，為避免香薰機運作過長而散發(fā)的有害物質，通過設置定時器，當達到所設置的時間時，香薰機可自動關閉運作系統(tǒng)。

圖3 APP控制過程

智能調控的香薰機，在移動端APP設置了“大中小”的按鈕控制，調節(jié)香薰機的轉動，對香薰機發(fā)送“大中小”控制的格式為：

當查看溫濕度數(shù)值曲線，溫濕度出現(xiàn)較大偏大時，可通過遠程智能調控對香薰機進行控制。利用定時功能對其進行操控，對香薰機發(fā)送定時控制。

4 系統(tǒng)測試實驗

整體系統(tǒng)構建完成后，為了驗證系統(tǒng)的可實現(xiàn)性以及性能優(yōu)勢，進行了系統(tǒng)的測試。本文在選定不同環(huán)境空間中放置數(shù)據(jù)采集的設備，有針對性的對環(huán)境的溫度與濕度進行采集，實時反饋于用戶端，并根據(jù)其助眠效果進行分組測驗，其結果如圖4所示。

圖4 智能香薰控制系統(tǒng)實物圖

圖4為本系統(tǒng)的實物圖，通過DHT11數(shù)字溫濕度傳感器與主控制器等設備保證在同一WIFI熱點覆蓋區(qū)域內，才能保證所采集的數(shù)據(jù)能正常傳輸至云端。將傳感器采集到環(huán)境空間中溫濕度的數(shù)據(jù)，進一步數(shù)據(jù)處理，在APP中顯示溫濕度的具體數(shù)值以及某個時間段內溫濕度變化的曲線，如圖5所示。用戶可通過登錄APP對香薰機進行遠程調控，可定時控制，調節(jié)開啟大小等操作。

圖5 溫濕度的曲線及控制

香薰機可以利用多種方式將水和純植物精油霧化，使得室內保持一定的濕度。助眠效果良好，可輔助治療和緩解流感、氣管炎等疾病，并對神經(jīng)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)和人體的新陳代謝起到一定的保護作用。對比使用香薰機入睡時間前后：純植物精油香薰對縮短入睡困難失眠者的入睡時間有明顯的效果，且可智能調控香薰機的使用，方便簡潔。

表1 失眠患者治療入睡時間縮短情況

通過觀察10組數(shù)據(jù)可以看到，2例在使用純植物精油香薰前后入睡時間均小于30min，無入睡困難狀況，故不在此次測試范圍內。8例入睡困難者中，4例使用純植物精油香薰后入睡時間顯著減少，相比較于使用前減少大于80%，3例使用純植物精油香薰后入睡時間相較于使用前大于50%，1例使用純植物精油香薰后相較于之前無效。根據(jù)療效標準，達到療效顯著有4例，達到有效療效有3例，無效1例，總有效率為87.5%。

5 結束語

本作品從生活實際出發(fā)，實用性強。且與市場上的香薰機相比，本系統(tǒng)在監(jiān)控上更加精確實且具有定時功能及智能調節(jié)開啟大小，用戶只需要在手機安裝對應的客戶端即可溫濕度的數(shù)據(jù)曲線，根據(jù)溫濕度的曲線進行遠程監(jiān)控。智能化調控的香薰機，使得空間環(huán)境狀態(tài)達到最佳，且助眠效果良好，可輔助治療和緩解流感、氣管炎等疾病，并對神經(jīng)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)和人體的新陳代謝起到一定的保護作用，提高生活質量，保障生活的品質。