馬博經(jīng)，張慧玲，俞丙威，王宇霄，包子洪，張藝越，金萬榮

（浙江廣廈建設職業(yè)技術大學 智能制造學院，浙江東陽，322100）

0 引言

高校電氣實驗室作為培養(yǎng)電氣工程師的重要場所，在現(xiàn)代教育體系中具有不可忽視的地位。隨著科技的不斷進步，現(xiàn)代電氣實驗室正朝著智能化、模塊化、網(wǎng)絡化、安全性等方向快速發(fā)展，以滿足科研和工業(yè)發(fā)展的需求，并為學生和工作人員提供更高效、更安全、更開放的實驗環(huán)境和條件[1～2]。然而，實驗室中常常面臨著溫濕度等環(huán)境因素對設備穩(wěn)定性和學生實驗體驗的影響。尤其是電氣設備對溫濕度的敏感性，可能導致設備性能的下降和實驗數(shù)據(jù)的偏差。甚至存在實驗室安全隱患難以及時發(fā)現(xiàn)的情況，如火災、漏水等，如果不能及時發(fā)現(xiàn)和處理，必將會對實驗室的安全造成威脅[3]。

傳統(tǒng)電氣實驗室管理效率低下，實驗室管理員需要定期巡檢實驗室，記錄溫濕度等數(shù)據(jù)，工作量大且繁瑣。而且數(shù)據(jù)無法實時獲取，缺乏數(shù)據(jù)共享和分析的能力，無法滿足現(xiàn)代實驗室的高效運行和安全管理需求。

當前，雖然已有溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)在醫(yī)學、生物、農業(yè)、測量等實驗室環(huán)境中廣泛應用[4～6]，但仍存在實時性不高，網(wǎng)絡平臺開發(fā)難度大成本高，數(shù)據(jù)查看不便等問題。本文設計了一種高效可靠的高校電氣實驗室溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)，以滿足電氣實驗室溫濕度環(huán)境監(jiān)測的需求。該系統(tǒng)能夠實時監(jiān)測電氣實驗室的溫濕度變化，并將數(shù)據(jù)精確及時傳遞給實驗室管理人員，以確保設備的穩(wěn)定運行和學生的安全實驗。

1 系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)采用STM32F103C8T6 微控制器作為核心控制芯片，DHT11 作為溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊，對高校內電氣實驗室環(huán)境的溫濕度狀況進行實時采集。ESP8266 作為WiFi傳輸模塊，溫濕度傳感器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)STM32 處理后通過無線傳輸?shù)姆绞缴蟼鞯絆neNET 服務器，同時OLED 顯示模塊可以對溫濕度數(shù)據(jù)進行實時顯示。

OneNET 是中移物聯(lián)網(wǎng)公司推出的免費物聯(lián)網(wǎng)開放云平臺，傳感器以及各種終端設備可以通過平臺提供的API 接口和應用模板實現(xiàn)快速聯(lián)網(wǎng)，用戶也可通過該平臺處理、分析和存儲實驗數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)使用OneNet 開放平臺展示數(shù)據(jù)，可以顯著節(jié)省開發(fā)服務器和平臺所需的時間和成本。此外，該平臺還具有數(shù)據(jù)存儲能力強、可視化效果好的優(yōu)點，能夠滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)展示和存儲的要求。在OneNET 云平臺上可對數(shù)據(jù)進行云存儲以及可視化展示，機房管理員可通過手機APP 端和Web 端隨時查看當前溫濕度狀況。當溫濕度數(shù)據(jù)超過設定閾值時，系統(tǒng)會通過郵箱以及微信推送的方式向機房管理員發(fā)送報警信息，以便及時采取措施。系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 硬件設計

本系統(tǒng)的硬件設計主要包括電源電路、微控制器模塊、WiFi 無線傳輸模塊、溫濕度傳感器模塊、OLED 顯示模塊等外圍電路的設計與連接。DHT11 傳感器通過GPIO 口連接到STM32 微控制器，ESP8266 模塊通過UART 串口與STM32通信，OLED 顯示模塊則通過I2C 總線與STM32 連接。

■2.1 電源電路

在設計電源電路時，考慮到了該溫濕度在線監(jiān)測系統(tǒng)的各個單元模塊對輸入電源的電壓級別要求不同，本系統(tǒng)將電源管理電路分為兩部分，設計電路圖如圖2 所示。

圖2 電源模塊電路圖

由于DHT11 溫濕度傳感器和OLED 顯示屏要求輸入電源電壓為5V，第一步先用LM2596S-ADJ DC-DC 調壓芯片將外部輸入電源進行一級降壓處理。本系統(tǒng)采用12V 直流電壓供電。輸出電壓的計算公式為：

式中：VOUT為芯片輸出電壓；VREF=1.23V；R1和R2為采樣反饋電阻。

當選取R1=1k Ω，R2=3k Ω 時，便可將LM2596 調壓芯片輸出電壓設置為4.92V，可以滿足OLED 顯示屏和溫濕度傳感器的電源需求。

本系統(tǒng)中的STM32 微控制器模塊和ESP8266 無線傳輸模塊的工作電壓均為3.3V，所以第二步再用AMS1117-3.3 芯片將LM2596 調壓芯片輸出電壓進行二級降壓降至3.3V 為其供電。

■2.2 微控制器模塊

微控制器選用的是STM32F103C8T6 嵌入式微處理器。STM32F103C8T6 微控制器搭載了ARM Cortex-M3 內核，具有較高的計算能力，性能可靠，能夠滿足系統(tǒng)的實時性要求，適用于對溫濕度數(shù)據(jù)進行處理和控制。它還擁有多個GPIO、UART、I2C 和SPI 接口，這些豐富的接口允許其與DHT11 傳感器、ESP8266 WiFi 模塊和OLED 顯示模塊等多個外部設備同時進行穩(wěn)定的通信。此外，STM32F103C8T6還具有低功耗特性，適合進行長時間運行的監(jiān)測系統(tǒng)。

■2.3 DHT11 溫濕度傳感器

本系統(tǒng)選用DHT11 作為溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊，用于實時采集電氣實驗室的環(huán)境溫度和濕度數(shù)據(jù)。DHT11 傳感器采用單一的數(shù)字信號線進行連接，這使得其硬件集成變得相對簡單。在本系統(tǒng)中，DHT11 的信號線連接到STM32 微控制器的一個PB12 引腳上，用于傳輸傳感器輸出的數(shù)字信號。此外，DHT11 的供電線和接地線連接到STM32 的相應引腳，以提供傳感器所需的電源和地線。接口電路如圖3 所示。

圖3 DHT11 模塊接口電路

DHT11 傳感器使用一種簡單的單線制數(shù)據(jù)通信協(xié)議，其通信過程包括STM32 向傳感器發(fā)送請求、傳感器采樣并返回數(shù)據(jù)。DHT11 溫濕度傳感器在成本、功能和易用性之間取得了良好的平衡。雖然它的精度相對較低，但在室內環(huán)境監(jiān)測應用中足夠可靠。通過DHT11 的數(shù)字信號輸出，可以直接與STM32F103C8T6 相連接，無需進行模擬信號轉換，簡化了數(shù)據(jù)處理流程。

■2.4 ESP8266WiFi 模塊

在本系統(tǒng)中，ESP8266 WiFi 模塊通過UART 串口與STM32F103C8T6 微控制器相連接，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。ESP8266 模塊的作用是作為數(shù)據(jù)傳輸通道，將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)上傳到OneNET 服務器，從而實現(xiàn)從實驗室環(huán)境到云端的溫濕度數(shù)據(jù)傳輸，使用戶能夠遠程監(jiān)測實驗室的溫濕度狀況。ESP8266 接口電路設計如圖4 所示，TXD（發(fā)送數(shù)據(jù)）引腳連接到STM32 的RXD（接收數(shù)據(jù)）引腳，以實現(xiàn)STM32 向ESP8266 發(fā)送數(shù)據(jù)。同時，ESP8266 的RXD 引腳與STM32的TXD 引腳相連，以實現(xiàn)ESP8266 向STM32 返回數(shù)據(jù)。

圖4 ESP8266 模塊接口電路

■2.5 OLED 顯示模塊

采用OLED 顯示屏作為顯示模塊，負責在系統(tǒng)中實時顯示溫濕度數(shù)據(jù)。OLED 顯示模塊外圍接口電路設計如圖5 所示，OLED 顯示屏與STM32F103C8T6 微控制器通過I2C 總線進行連接，OLED 的SDA 數(shù)據(jù)引腳與STM32 的PB15 引腳連接，而SCL 時鐘引腳與STM32 的相應PB13引腳連接，以實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸。當STM32 從DHT11 傳感器采集到溫濕度數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理和解析后，通過I2C 總線與OLED 顯示屏進行通信。STM32 將溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)送給OLED 顯示屏，并通過控制OLED 的驅動芯片來顯示數(shù)據(jù)。OLED顯示屏使用其內置的顯示控制邏輯，將溫濕度數(shù)據(jù)以數(shù)字和文本的形式呈現(xiàn)在屏幕上。這樣，OLED 顯示屏模塊就將從DHT11 溫濕度傳感器采集到的數(shù)據(jù)以可視化方式直觀地呈現(xiàn)給教師、學生以及實驗室管理員，為實驗室內部的溫濕度環(huán)境狀況提供及時反饋，方便實時監(jiān)測。

圖5 OLED 顯示屏模塊接口電路

3 軟件設計

該監(jiān)測系統(tǒng)選擇了Keil μVision5 作為其嵌入式開發(fā)環(huán)境，并使用C 語言進行編程。首先進行系統(tǒng)初始化，然后調用GPIO 接口，設置定時器，進行數(shù)據(jù)采集和處理，響應中斷，以及進行UART 串口通訊，依次執(zhí)行溫濕度數(shù)據(jù)采集、傳輸、顯示等操作。微控制器定期向DHT11 傳感器請求溫濕度數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行校驗和濾波處理。采集到的數(shù)據(jù)傳遞給OLED 顯示，并通過WiFi 模塊使用MQTT 協(xié)議發(fā)送到OneNet 云平臺。整個主程序流程是一個持續(xù)循環(huán)的過程，確保對機房溫濕度的實時監(jiān)測和調控。云平臺端使用OneNet 提供的API 接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、存儲和可視化展示。主程序流程圖如圖6 所示。

圖6 主程序流程圖

4 應用效果

根據(jù)《電氣裝置安裝工程低壓電器施工及驗收規(guī)范》等相關法條對配電室溫度和濕度國家標準做出了規(guī)定：配電室標準的溫度應保持在-5℃～+40℃，濕度應控制在80%RH 以下。只有保持在標準的范圍內，現(xiàn)場的電力機器才能保持良好的運行狀態(tài)，避免出現(xiàn)故障。所以本文將溫度報警閾值設置在40℃，濕度報警閾值設置在80%RH。當電氣實驗室環(huán)境溫度超過40℃，或者濕度超過80%RH，將會觸發(fā)報警。系統(tǒng)會向實驗室管理員進行微信推送，實現(xiàn)溫濕度異常報警。報警功能界面如圖7 所示。

圖7 溫濕度異常報警推送界面圖

經(jīng)過實際測試，本系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地實時監(jiān)測機房的溫度和濕度，并將數(shù)據(jù)準確地傳輸?shù)絆neNet 云平臺。在云平臺上，管理員可以隨時查看機房環(huán)境的變化趨勢，及時發(fā)現(xiàn)異常情況，實驗室溫濕度在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)可視化界面如圖8 所示。一旦溫濕度超過設定閾值，系統(tǒng)能夠及時通過微信推送向管理員發(fā)送報警信息，保障了機房設備的安全運行。

圖8 溫濕度在線監(jiān)測系統(tǒng)界面圖

5 結論

本文設計了一種基于OneNet 的高校電氣實驗室溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)，通過嵌入式硬件和軟件的協(xié)同設計，實現(xiàn)了溫濕度數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測、傳輸和可視化展示。通過應用效果測試，本系統(tǒng)能夠準確采集實驗室環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)并通過OLED 顯示器進行穩(wěn)定顯示，用戶能夠通過OneNET 云平臺實時查看溫濕度數(shù)據(jù)，當溫濕度環(huán)境超過設定閾值能夠進行有效報警推送，有效地提高了實驗室設備運行效率和保障實驗室安全，基本能夠滿足現(xiàn)代高校電氣實驗室的溫濕度監(jiān)測需求。該系統(tǒng)為高校機房的設備管理和運行維護提供了有力支持，具有廣泛的應用前景。同時，該系統(tǒng)具有低功耗、高性能、易于維護等優(yōu)點，可以長期穩(wěn)定運行，具有很高的實用性和推廣價值。