基于IoT的在线温湿度测量系统

2018-06-24张玉伟左云波王倪珂

设备管理与维修 2018年13期

张玉伟，左云波，王倪珂

（北京信息科技大学现代测控教育部重点实验室，北京 100192）

0 引言

环境的温湿度值对工农业生产及气象监测等行业具有极其重要的参考价值[1]。现有的温湿度测量系统普遍智能程度不高、可靠性差、测量精度低且系统供电成本高，无法在工农业生产中得到大规模的应用。以绿色、环保的太阳能电池为系统提供电源保障，选用ESP8266芯片和DHT11温湿度传感器，利用先进的无线网络传输技术和IoT（Internet of Things，物联网）技术将温湿度数据上传到互联网平台，实现对数据的实时监测是一种行之有效的解决方案。

1 系统总体构成和工作原理

根据使用目的和应用环境的不同，基于IoT的在线温湿度测量系统既可以实现某单一位置的温湿度值测量，也可在目标范围附近安装多个采样点，实现更为准确的监测。整个系统由供电模块太阳能板和锂电池，带WiFi模块的应用芯片ESP8266，DHT11温湿度传感器监测单元及互联网操作平台组成。系统的总体结构如图1所示。

图1 系统总体设计框图

2 系统硬件设计

2.1 太阳能电池板

太阳能电池板应用广泛，是一种低碳环保且实用的小型户外电源，能够通过组装太阳能电池片多少来实现各种电压配置的需要。根据设计要求选，用单片提供0.5 V左右电压值的单晶125 mm×125 mm太阳能晶硅电池片作为组件单元，采用9片即可提供4.5 V的电源电压，满足3.7 V锂电池4.2 V充电电压的需要。为锂电池充电的工作电路如图2所示。

图2 锂电池充电模块电路

2.2 LDO稳压器模块

由于太阳能电池板提供的实际电压大于锂电池4.2 V的安全充电电压，会降低锂电池的使用安全和使用寿命，所以必须对太阳能电池提供的电压采取降压措施，满足充电要求。SPX3819稳压器模块（图3）应用广泛，使用性能好，提供多个固定的输出电压，其中提供可调的输出电压是重要的参考指标。

2.3 防反接模块

设备组装过程中经常会出现电源接反的状况从而导致负载损坏，为了保护负载，需要对电路添加相应的防反接电路，通常在设计时会利用二极管的单向导电性来实现防反接保护。但是二极管压降大，当电路中的额定电流较大时，还会导致发热量增大，需要添加相应的散热装置。二是利用 MOS（metal oxide semiconducto，金属-氧化物-半导体r）管的导通特性来设计防反接电路（图4）。MOS管型防反接电路由于其具有内阻小、压降低的特点在电路中的到广泛的使用[2]，但是相比二极管，其成本较高。

图3 SPX3819稳压器模块

已知DHT11温湿度传感器的工作电压为（3.3～5.5）V，锂电池的输出电压为 3.7 V，以及二级管的额定压降0.7 V，如果直接采用二极管防反接方式将会导致DHT11工作电压直接低于其正常工作电压，而采用MOS管型防反接保护电路同时可以满足所需要的电压，而且模块消耗功率小，所以采用MOS管型防反接保护电路。

图4 MOS管型防反接保护电路

2.4 ESP8826和DHT11温湿度传感器

相比其他开发模块，本设计选用的ESP8826模块体积小，功耗低，而且价格实惠，并且带有一个完整的且自成体系的WiFi网络解决方案。同时ESP8826支持固件透传功能，能够根据不同的设计需要编写相应的固件对其进行升级。

DHT11目前应用广泛，其在出厂时便进行了精确的湿度校准，保证每一块都能满足使用要求。DHT11的环境温度检测范围（0～50）℃，检测精度1℃[3]。其相对湿度检测范围在20%～90%RH，检测精度为1%RH；同时DHT11体积相对较小、功率消耗极低，能够在20 m的范围内进行有效的数据传输；4针单排引脚封装也极大方便了与其他硬件的连接。图5是DHT11与ESP8266连接电路。

图5 ESP8266与DHT11连接电路

图6 主程序流程

3 系统软件设计

3.1 主程序设计

主程序流程如图6所示，上电后，系统启动后能够自动连接WiFi热点和网络平台账号，一切准备就绪后DHT11采集周围的温湿度，并不断地将数据发送到物联网数据平台。

3.2 IoT平台

传感器进行数据上传和汇总的平台称为IoT平台，其主要进行物与物之间的信息交换和通信，也就通过了解物体上传感器感知的各项信息来对物体进行识别、定位和监控，实现物体间数据的共享。IoT平台的建立解决了开发过程中各种自建网络平台兼容性差，投入高，开发缓慢等问题。同时IoT平台具有大的数据存储容量，平台安全性高能够满足快速可靠的数据通信。

Doit IoT平台是一个简单的物联网平台，可以满足对可温湿度传感器进行数据上传并、统计、分析的需求，如图7其具备多种数据形式展示，和数据下载功能。