劉小濱 劉 寅 沈文浩

（華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室，廣東廣州，510640）

與液態(tài)和固態(tài)污染物相比，造紙工業(yè)在生產過程中排放的氣態(tài)污染物包括SO2、NH3和揮發(fā)性有機污染物（VOCs）等，這會增加人體罹患呼吸道疾病的風險［1］。此外，由于造紙污染氣體的成分復雜，對其進行檢測具有盲目性，存在檢測目標交叉、檢測方法復雜繁瑣以及檢測結果滯后且靈敏度較低等問題，所以有關造紙污染氣體的科學研究甚少［2］。因此，對造紙工業(yè)污染氣體進行科學、全面、有效的檢測和控制具有重要意義。

有研究表明［3］，光催化氧化技術能夠有效降解造紙污染氣體且不產生二次污染，并在本課題組的前期研究中［4］，環(huán)境溫/濕度會影響光催化氧化降解氣態(tài)污染物的效果和速率。為此，本課題設計了一款用于檢測光催化氧化環(huán)境溫/濕度的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，可以實現(xiàn)在手機APP上對環(huán)境溫/濕度進行實時、遠程監(jiān)控。該系統(tǒng)能為調控光催化氧化降解氣態(tài)污染物的效率提供手段，以提高光催化技術在環(huán)境凈化中的應用效果。

1 系統(tǒng)方案概述

本課題設計的溫/濕度遠程監(jiān)控系統(tǒng)主要包括4個模塊：控制模塊、傳感器模塊、數(shù)據(jù)無線傳輸模塊以及人機交互模塊?？刂颇K以基于STM32的單片機（MCU，STM32F103VET6）為核心，驅動溫/濕度傳感器DHT11采集當前環(huán)境的溫/濕度信號，并通過板載的ESP8266 Wi-Fi無線傳輸模塊將溫/濕度數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C上，最后在手機APP上顯示實時的溫/濕度以及數(shù)據(jù)曲線。該系統(tǒng)同時具備有高溫度/高濕度報警功能，當環(huán)境溫/濕度超過系統(tǒng)設定的閾值時，系統(tǒng)將自動啟動蜂鳴器報警以提醒操作人員調控當前環(huán)境溫/濕度。系統(tǒng)的總體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結構框圖：（a）DHT11溫/濕度傳感器；（b）以STM32F103VET6單片機為核心的控制模塊；（c）Android手機APPFig.1 Block diagram of overall structure of the system:(a)DHT11 temperature/humidity sensor;(b)STM32F103VET6 microcontroller;and(c)APP on Android mobile phone

2 系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)的硬件除了信號采集電路、控制電路以及無線傳輸電路，還包括如下模塊：電源模塊、存儲模塊、調試模塊及報警模塊。系統(tǒng)硬件設計的總體結構框圖以及各主要硬件模塊與控制器的連接電路原理圖如圖2和圖3所示。

圖2 系統(tǒng)硬件總體結構框圖Fig.2 Design block diagram of overall structure of system hardware

圖3 主要硬件模塊與控制器的連接電路原理圖：（a）DHT11溫/濕度模塊；（b）ESP8266 Wi-Fi無線傳輸模塊；（c）蜂鳴器報警模塊Fig.3 Schematic diagram of the connection circuit between the main hardware modules and the controller:(a)DHT11 temperature/humidity module;(b)ESP8266 Wi-Fi wireless transmission module;and(c)buzzer alarm module

2.1 控制電路設計

主控制器是整個系統(tǒng)的核心，承擔著實現(xiàn)功能、處理數(shù)據(jù)和規(guī)定時序等任務。因此，在控制器的選型上要考慮其具有足夠大的程序空間和數(shù)據(jù)運算空間［5］。

針對系統(tǒng)功能需求，本課題選用了基于ARM架構和Cortex-M3內核的32位STM32F103VET6控制器芯片（單片機），該芯片具有功能各異且可復用的100個引腳并集成了如USART（通用同步/異步串行接收/發(fā)送器）、I2C（I2C總線）和SPI（串行外設接口）等常用通信接口，可用于外接各種傳感器和執(zhí)行器以控制其他設備，滿足用戶需求。

2.2 溫/濕度數(shù)據(jù)采集電路

為了采集當前環(huán)境的溫/濕度數(shù)據(jù)，本課題采用了低成本、高靈敏度和精度的DHT11溫/濕度傳感器。該傳感器集成度好，能同時測量環(huán)境的溫度和濕度并將信號直接轉換成數(shù)字信號輸出［6］。同時，DHT11與控制器電路連接簡單，只需將其DATA引腳與控制器上任一GPIO（通用輸入輸出）口的引腳連接并通信，VCC與GND由控制器的電源電路供電。溫/濕度數(shù)據(jù)采集電路如圖3(a)所示。

2.3 基于Wi-Fi的無線傳輸電路

該電路實現(xiàn)的功能是手機（上位機）通過Wi-Fi信號與單片機系統(tǒng)進行連接通信。控制器接收到手機發(fā)送的指令后，將儲存在RAM中的溫/濕度數(shù)據(jù)通過USART接口傳輸?shù)紼SP8266 Wi-Fi無線傳輸模塊中，并進行數(shù)據(jù)打包和校驗標識，最后以規(guī)范的Wi-Fi通信協(xié)議進行上/下位機的數(shù)據(jù)傳輸以保證數(shù)據(jù)的準確性［7］。ESP8266 Wi-Fi無線傳輸模塊的電路接線如圖3(b)所示。

2.4 蜂鳴器報警電路

由于環(huán)境溫/濕度會影響光催化氧化降解污染氣體的效率［8-9］，所以需要設定一個溫/濕度閾值以保證光催化氧化反應的效率。故本課題設計了溫/濕度閾值超限的蜂鳴器報警電路，該電路采用低電平觸發(fā)的有源蜂鳴器，當環(huán)境溫/濕度高于設定閾值時，則會觸發(fā)蜂鳴器發(fā)出報警，提醒操作人員及時調整溫/濕度以穩(wěn)定光催化氧化反應速率。蜂鳴器報警電路原理圖如圖3(c)所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)的軟件設計可分為單片機嵌入式軟件設計和Android手機APP軟件設計。嵌入式軟件設計包括編寫外設驅動、通信協(xié)議實現(xiàn)以及主程序代碼等，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和無線傳輸?shù)墓δ?；而Android手機APP軟件設計包括編寫界面設計、通信協(xié)議實現(xiàn)、數(shù)據(jù)可視化顯示以及主程序代碼，以實現(xiàn)接收并顯示傳感器數(shù)據(jù)、給單片機發(fā)送指令以及記錄數(shù)據(jù)的功能。

系統(tǒng)總體的軟件設計流程如圖4所示。當系統(tǒng)開始工作時，單片機與Android手機APP均處于系統(tǒng)初始化狀態(tài)。初始化后，各個模塊進入正常工作狀態(tài)。此時，可以通過Android手機APP控制單片機以驅動傳感器采集當前環(huán)境溫/濕度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過Wi-Fi無線傳輸模塊上傳到手機；然后在APP界面中就會顯示溫/濕度數(shù)據(jù)和繪制實時曲線圖。當溫/濕度超過用戶所設定的閾值，則會觸發(fā)蜂鳴器、手機鈴聲報警以及APP界面顯示報警提醒。

圖4 系統(tǒng)總體軟件設計流程圖Fig.4 Flow chart of overall software design of the system

3.1 嵌入式軟件設計

3.1.1 單片機系統(tǒng)主程序設計

主程序完成系統(tǒng)各個模塊的初始化、環(huán)境溫/濕度的檢測、判斷溫/濕度是否超過設定的閾值、建立單片機和手機的Wi-Fi連接、等待上位機下發(fā)指令執(zhí)行相應操作等功能。其軟件設計流程如圖4左半部分所示，其余分模塊的程序設計如下文所述。

3.1.2 DHT11溫/濕度模塊驅動程序設計

單片機讀取溫/濕度傳感器數(shù)據(jù)的原理主要是通過改變和檢測其DATA引腳的高低電平時序實現(xiàn)。首先，單片機設定DATA引腳的連接時序建立與DHT11溫/濕度模塊的連接；其次，單片機接收DATA引腳返回的數(shù)字信號，轉換成溫/濕度數(shù)值存入RAM中；最后，等待后續(xù)程序進行取值和使用。DHT11溫/濕度模塊的驅動程序流程如圖5所示。

圖5 DHT11溫/濕度模塊驅動程序流程圖Fig.5 Driving program flow chart of DHT11 temperature/humidity module

對DHT11溫/濕度模塊的時序控制和信號讀取主要分為2部分：①主機（單片機）檢測DHT11溫/濕度模塊是否正確連接；②讀取數(shù)據(jù)位“0”和“1”；具體時序控制如圖6所示。

（1）主機檢測DHT11溫/濕度模塊是否正確連接：主機先發(fā)送連接請求信號（如圖6(a)中虛線所示），DHT11溫/濕度模塊在收到主機連接請求信號后會應答主機的連接請求（如圖6(a)中實線所示），在主機確認正確連接后即可開始讀取傳感器上傳的數(shù)據(jù)。

（2）讀取數(shù)據(jù)位“0”和“1”：DATA引腳與單片機之間采用單總線數(shù)據(jù)格式，單次傳輸5個字節(jié)（40 bit）的數(shù)據(jù)，高位先出。具體數(shù)據(jù)構成為：8 bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit校驗和。在讀取1位有效數(shù)據(jù)位開始之前會持續(xù)54μs的低電平應答檢測，然后拉高電平，持續(xù)23~27μs，即表示數(shù)據(jù)位“0”，如圖6(b)所示；持續(xù)71μs即表示數(shù)據(jù)位“1”，如圖6(c)所示。

圖6 DHT11溫/濕度模塊連接與數(shù)據(jù)讀取時序控制圖：（a）主機檢測DHT11溫/濕度模塊是否正確連接；（b）讀取數(shù)據(jù)位“0”；（c）讀取數(shù)據(jù)位“1”Fig.6 Diagram of DHT11 temperature/humidity module connection and timing control of data reading:(a)host checking whether the DHT11 temperature/humidity module is connected correctly;(b)reading of data bit“0”;and(c)reading of data bit“1”

3.1.3 ESP8266 Wi-Fi無線傳輸模塊驅動程序設計

上位機是基于Android系統(tǒng)設計的手機APP，ESP8266 Wi-Fi無線傳輸模塊的主要功能是釋放Wi-Fi信號以建立起單片機和手機APP的連接，接收手機下達的指令并轉化成單片機執(zhí)行操作的語言，使手機能讀取溫/濕度數(shù)據(jù)并在手機APP的界面中實時顯示和繪制。ESP8266 Wi-Fi無線傳輸模塊的驅動程序設計流程如圖7所示。

圖7 ESP8266 Wi-Fi無線傳輸模塊驅動程序流程圖Fig.7 Driving program flow chart of ESP8266 Wi-Fi wireless transmission module

3.2 手機APP界面及功能設計

本課題使用Android Studio軟件設計了一款基于Android系統(tǒng)的手機APP，包括如圖8所示的3個界面：①歡迎界面；②登錄界面；③主界面。

圖8 手機APP界面：（a）歡迎界面；（b）登錄界面；（c）主界面；（d）運行中的主界面Fig.8 APP interface on mobile phone:(a)welcome interface;(b)login interface;(c)main interface;and(d)main interface during operation

當APP啟動時，歡迎界面隨之啟動，主要是顯示開發(fā)者、APP圖標以及問候語等信息，并在5 s倒計時后自動切換到登錄界面。用戶在登錄界面輸入正確且唯一的賬號和密碼后，即可進入主界面。主界面具有以下3個功能：①通過Wi-Fi發(fā)現(xiàn)傳感器檢測設備（單片機）并與之連接；②顯示和繪制由單片機傳入的實時測量的溫/濕度數(shù)據(jù)；③將當前數(shù)據(jù)表格存儲在手機內存中，同時可以從內存中檢索歷史數(shù)據(jù)。手機APP界面及功能設計流程如圖9所示。

圖9 手機APP界面及功能設計流程圖Fig.9 Flow chart of APP interface and function design of mobile phone

4 系統(tǒng)集成調試

基于STM32單片機的環(huán)境溫/濕度遠程監(jiān)控系統(tǒng)實物如圖10所示。在實驗室環(huán)境中，利用該系統(tǒng)測試標準濕度飽和鹽溶液（CH3COOK）的濕度以對該系統(tǒng)進行集成調試［10］，測試方法示意圖如圖11(a)所示，具體操作步驟如下。

圖10 基于STM32單片機的環(huán)境溫/濕度遠程監(jiān)控系統(tǒng)實物圖Fig.10 Images of ambient temperature/humidity remote monitoring system based on STM32 MCU

（1）以相對濕度為23%的CH3COOK飽和溶液作為基準樣（即傳感器響應和恢復的基線）；

（2）將傳感器移入盛有CH3COOK飽和溶液的瓶中并蓋緊瓶塞，等待讀數(shù)穩(wěn)定；

（3）響應過程：將傳感器從CH3COOK飽和溶液中移至盛有更高濕度的飽和鹽溶液（MgCl2、NaBr、NaCl、KCl或KNO3）中進行濕度響應過程，等待讀數(shù)穩(wěn)定；

（4）恢復過程：將傳感器從（3）中的飽和鹽溶液中移至CH3COOK飽和溶液中，進行濕度恢復過程，等待讀數(shù)穩(wěn)定；

（5）重復上述過程，即可得到如圖11(b)所示的濕度響應曲線和如表1所示的測試結果。

從圖11(b)和表1（表中濕度均為相對濕度）可以看出，本溫/濕度遠程監(jiān)控系統(tǒng)對標準濕度飽和鹽溶液的濕度測量相對誤差均在10%以內，最低為0，最高為9.1%，平均相對誤差在3.1%以內。誤差的主要來源可能為：①由于導線較粗導致玻璃瓶塞未完全塞緊，瓶內環(huán)境與外界環(huán)境連通，從而影響瓶內的濕度；②配置飽和鹽溶液時間的影響，即當配置飽和鹽溶液的時間過長，則會引起瓶內藥品變質從而影響其濕度。此外，本系統(tǒng)對不同濕度的響應時間和恢復時間均小于30 s且響應時讀數(shù)穩(wěn)定，沒有較大波動以及恢復時能回到濕度基線上。上述調試結果表明，本系統(tǒng)能穩(wěn)定、快速、準確地遠程測量環(huán)境的溫/濕度，并顯示在手機APP界面上。

圖11 溫/濕度遠程監(jiān)控系統(tǒng)集成調試：（a）測試方法示意圖；（b）測試結果Fig.11 Integration debugging of the temperature/humidity remote monitoring system:(a)schematic diagram of the test method;(b)test results

表1 標準濕度與溫/濕度遠程監(jiān)控系統(tǒng)測量結果對比Table 1 Results comparison between standard humidity and measurement data from the temperature/humidity remote monitoring system

5 結論

本課題設計了基于STM32單片機的環(huán)境溫/濕度遠程監(jiān)控系統(tǒng)，在實現(xiàn)對環(huán)境溫/濕度進行實時、遠程監(jiān)測的同時，還具有準確性較高（平均相對誤差小于3.1%）、穩(wěn)定性較好（每次濕度恢復時都能回到基線，以及在響應時讀數(shù)穩(wěn)定準確且沒有較大的波動）、響應快速（響應/恢復時間均小于30 s）的特點。該系統(tǒng)不僅可用于對光催化氧化降解氣態(tài)污染物過程中環(huán)境溫/濕度的監(jiān)控，以規(guī)避其影響，還可以運用到如溫室種植等領域的溫/濕度監(jiān)控需求中，以實現(xiàn)對溫/濕度的遠程實時監(jiān)控、顯示及異常報警，具有廣闊的應用前景。