一种基于物联网云服务平台的恒温恒湿控制器的设计与实现

梁文祯 龚兰芳 苏晨茜

一种基于物联网云服务平台的恒温恒湿控制器的设计与实现

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（1.广东水利电力职业技术学院，广东 广州 510635；2.湖南大学，湖南 长沙 410082）

本文提出一种基于物联网云服务平台的恒温恒湿控制器，从处理器、以太网模块、温湿度传感器与I2C接口、继电器模块、电流输出模块几方面详细介绍该控制器的硬件设计。实际结果表明：该控制器运行效果良好，可靠性高，扩展性强，满足设计要求。

物联网；云服务平台；恒温恒湿控制器

恒温恒湿控制系统被广泛应用于各行业的工作厂房车间、展览馆、档案馆、实验室等场所。随着社会经济的日益发展，各行业的科技水平与生产要求越来越高，尤其是要求保持恒定的室内温度与湿度来满足高工艺要求［1］。恒湿恒湿控制系统主要由控制器、加热器、加湿器和表冷器组成［2］。加热器的主要作用是对冷空气的预热及再热；加湿器主要对空气进行加湿处理；表冷器主要作用是对空气进行降温处理，兼顾除湿功能。恒温恒湿系统的设计，需要考虑到室内热、湿负荷和室外气温条件的变化。为了实现该目的，工程人员往往需要花费较长时间来研究被控对象的模型。本文设计一种恒温恒湿控制器，利用PID算法与模糊算法来控制温、湿度值，并结合物联网云服务平台，利用手机APP软件实现远程测量与远程控制的功能。

1 系统总体方案

恒温恒湿控制系统由控制器、温湿度传感器、加热器、加湿器、降温器、降湿器、物联网云服务器以及手机APP组成。控制器由处理器、继电器模块、以太网模块、I2C接口、指示灯、蜂鸣器、带触摸的液晶屏及4～20mA电流输出模块组成。控制器从温、湿度传感器读取温、湿度值，经过PID算法与模糊算法复合计算，根据计算结果控制加热器、加湿器、降温器与除湿器的运行时间与停止时间，实现恒定室内温度与湿度的功能。控制器将当前温度值与湿度值转换成电流值，通过4～20mA电流输出模块输出给其他设备。控制器将当前温度值、湿度值、继电器闭合时间与断开时间、PID算法与模糊算法的参数值等数据通过液晶屏展示出来，用户可以通过触摸屏修改这些数据。同时，控制器将这些数据通过以太网模块上传到物联网云服务器。用户利用手机APP登录物联网云服务器，远程查看系统当前的各种数据，也可以利用手机APP远程调整PID算法与模糊算法的参数值，并上传到云服务器。云服务器将算法的参数值推送到控制器，控制器利用最新的算法参数值实现恒温恒湿功能。

2 控制器硬件设计

2.1 处理器

控制器需要4个I/O引脚控制继电器、5个SPI接口的网络芯片、7个I/O引脚控制DAC芯片与触摸芯片、2个I/O引脚控制指示灯、1个I/O引脚控制蜂鸣器、2个I/O引脚控制I2C接口的温湿度传感器、21个I/O引脚控制液晶屏，合计需要42个I/O引脚。因此，选用基于ARM Cortex-M3 内核的 32位微控制器 STM32F103RBT［3］。其运行速度快，工作频率可以达到72MHz；拥有49个I/O引脚、20K SRAM、128K FLASH、2个可工作在主从模式的SPI串行接口、7通道的DMA控制器；具有硬件乘除部件，可实现单周期乘法和除法运算。这些丰富的外围配置，大大降低了系统的开发成本，缩短了开发时间。

2.2 以太网模块

系统选用WIZnet公司生产的W5500。W5500拥有8个独立端口Socket同时通讯，集成了TCP/IP协议栈，支持TCP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP及PPPoE协议，内嵌32K字节片上缓存以供以太网包处理，支持10/100M以太网数据链路层（MAC）及物联层（PHY）。W5500支持高达80MHz的SPI接口，更加容易与外设MCU整合，更好地实现网络通讯的调整。为了减少系统能耗，W5500提供了网络唤醒模式及掉电模式供客户选择使用。

2.3 温湿度传感器与I2C接口

系统选用SHT11作为温湿度传感器。SHT11包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片上，与14位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接，具有品质卓越、响应迅速、抗干扰能力强、性价比高等优点。I2C接口电路需要具有过流保护、电源防反接等功能，且要具有一定电气隔离和保护的通讯接口。如图1所示，电路选用0.5A自恢复保险丝F2，实现过流保护功能；当向传感器流出电流过大时，保险丝F2自动断路；当传感器恢复正常时，保险丝F2自动通路。电路选用整流二极管D7，利用二极管的单向导通性实现电源防反接功能。电路选用电阻R17和R18，实现一定电气隔离功能。电路选用2路双向TVS管并联I2C通讯引脚，实现一定电气保护功能；当通讯引脚存在过压现象时，TVS管导通而降低引脚的电压；当通讯引脚恢复正常时，TVS管截止。

图1 I2C接口电路

2.4 继电器模块

系统选用欧姆龙G5SB-14-24VDC继电器，其电路如图2所示。在继电器的公共输出脚与常开脚之间并联TVS管。经过实际测试，当继电器进行闭合与断开动作时，具有良好的灭弧作用。在继电器的线圈两端并联反接整流二极管D3，当线圈断电时，起到续流作用。在继电器的线圈两端并联电阻R4与发光二极管DS2，当继电器闭合时，发光二极管亮；当继电器断开时，发光二极管灭，起到继电器动作指示作用。在三极管的基极并联电路R6，可以稳定基极的电平，当处理器复位或异常时，基极电平为低电平，继电器保持断开状态，外部加热器等设备处于停止工作状态，不会乱工作。

图2 继电器电路

2.5 电流输出模块

系统选用金升阳F2424S-2WR2作为电源隔离，输出24VDC用于电流输出的电源，因此，电流输出支持两线制接法。同时，利用L7805输出5VDC给DAC芯片供电。金升阳F2424S-2WR2模块具有可持续短路保护、工作温度范围为-40～+105℃、效率高达86%、功率密度高、小型SIP封装、隔离电压3 000VDC等特点。根据手册的设计参考，电容C20与C22能进一步减少输入输出纹波；电容C21、C19与电感LH3组成的电路具有一定的EMC功能，如图3所示。

图3 电源隔离电路

3 控制器软件设计

控制器程序基于uC/OS操作系统开发，建立三个任务，分别是以太网通讯任务，温、湿度采集任务与液晶屏GUI界面任务。主程序先对所有硬件初始化，包括指示灯、蜂鸣器、继电器、I2C、SPI、液晶屏等；接着对uC/OS操作系统初始化，创建三个任务，启动uC/OS操作系统，系统对三个任务进行调度，如图4所示。以太网通讯任务用于与物联网云服务器进行网络通讯，先对以太网接口引脚进行硬件初始化，设置IP地址、子网掩码、默认网关等网络参数，再将控制器的所有数据上传到物联网云服务器，如图5所示。温、湿度采集任务主要是采集温、湿度值，并进行PID算法和模糊算法，根据算法结果控制继电器的闭合时间与断开时间。

图4 控制器主程序的流程图

图5 网络通信任务的流程图

4 物联网云服务平台的测试

物联网云服务平台的测试包括网站、手机APP软件及控制器三大部分的测试。网站和手机APP软件均可以显示控制器温、湿度值的历史变化曲线，并修改控制器上PID算法与模糊算法的参数值。

5 结语

本文设计的恒温恒湿控制器先读取传感器的温度值与湿度值，再执行PID算法和模糊算法，根据算法结果控制继电器的闭合时间与断开时间，然后将控制器的所有数据显示到液晶显示屏上，并上传到物联网云服务器。用户可以在带触摸的液晶屏、网站与手机APP软件上修改PID算法和模糊算法的参数。实际结果表明：该控制器运行效果良好，可靠性高，扩展性强，满足设计要求。

［1］王永斌.高精度恒温恒湿空调最佳控制方法研究［J］.科研，2016（8）：122-122.

［2］张亮.暧通空调的恒温恒湿设计［J］.科技视界，2016（20）：82，101.

［3］梁文祯.基于以太网的LED点阵显示系统的设计［J］.机电工程技术，2012（7）：41-42．

Design and Implementation of Unit for Constant Temperature and Humidity Base on Internet of Things Cloud Service Platform

Liang Wenzhen1Gong Lanfang1Su Chenxi2
（1.Guangdong Polytechnic of Water Resources and Electric Engineering，Guangzhou Guangdong 510635；2.Hunan University，Changsha Hunan 410082）

This paper introduced a unit for constant temperature and humidity base on Internet of Things Cloud Service Platform.The hardware design of the controller was described in detail in terms of proces⁃sor,Ethernet module,temperature and humidity sensor,I2C interface,relay module and current output mod⁃ule.It has been proved that the system could works well,had high reliability,strong expansibility and meets the design requirements in practice.

internet of things；cloud service platform；constant temperature and humidity controller

TP393

A

1003-5168（2017）10-0033-03

2017-09-01

广东水利电力职业技术学院“创新强校工程”项目“一种通用型物联网云服务平台——以智能家居为例”（cxz07）。

梁文祯（1984-），男，硕士，讲师，研究方向：物联网技术、嵌入式技术以及自动化控制技术；龚兰芳（1976-），女，硕士，副教授，研究方向：物联网技术、嵌入式技术以及自动化控制技术。