基于Blinker的远程温度控制系统的设计

文/聂晗 王军民

在工业生产中，工件加工常需要使用烘箱进行加热处理，以使器件达到更高的工作需求，现有的温控系统已基本能满足工业化生产需求，但无法做到定时定温的物件烘烤制作。常规加热器加热工艺无法准确控制温度，而且需要人实时驻守以防止发生意外。这为生产生活带来了极大的不便，也增加了人工成本。本文设计的基于物联网控制的恒温控制系统很好的解决这一问题。

1 系统组成

该系统主要由手机APP、温度采集模块、MCU控制单元、设备控制模块、Wi-Fi通信模块、电源模块等六大部分组成。其中采用Arduino Uno作为主控MCU，使用Blinker作为物联网接入方案并使用其提供的APP定制方案，使用18b20作为温度传感器采集实时温度，使用可控硅调节发热设备工作，电源模块主要为MCU以及加热设备提供电源。系统设计结构图如图1所示。

2 硬件设计

2.1 单片机设计

本系统采用Arduino Uno作为MCU，Arduino是以ATmege单片机为控制核心的单片机控制板，其中Arduino Uno的处理器核心为ATmega328，具有14路数字I/O口，其中6路可用作PWM输出，6路可作模拟输入。常用的Arduino Uno板除了拥有Atmega最小系统外，还包含稳压电路，USB转串口模块，一些指示灯还有一些扩展用插座，如图2所示。

2.2 温度采集模块

本系统采用DS18b20作为温度采集传感器，DS18B20是美国DALLAS半导体公司生产的单总线智能智能温度传感器，测温范围在-55℃～125℃，固有分辨率可精确到0.5℃。与传统的热敏电阻测温不同的是，DS18B20可以直接读出被测温度值，再加上其体积小，对外界抗干扰能力强并且精度高、硬件开销低，所以在生产生活中被大量采用。

DS18B20有三个引脚：

（1）GND为电源地；

（2）DQ为数字信号输出/输入端；

（3）VDD为外接供电电源输入端，使用时极为简单。

本实验采用的测温探头如图3 所示，采用聚乙烯四氟镀银引线，具有防水、防油、耐高温的特性，其耐温量程为-50℃～200℃。

2.3 Wi-Fi通信模块

Esp8266是乐鑫公司推出的一款廉价、超低功耗但几乎全能的Wi-Fi芯片，支持SPI、I2C、UART等方式进行通信。UART通信时，可直接支持AT指令，大大简化了开发难度。Esp8266有8个引脚，但是和Arduino通信时只需要接5个即可，Arduino拥有Esp8266库，使用时直接调用库函数即可。

2.4 设备控制模块

直接通过继电器来控制加热设备的通断来实现控温，到温度达到设定温度的上阈值时，断开电源，温度下降直到设定温度的下阈值时，接通电源使加热器工作。通过这样的方式使温度稳定在设定温度的波动范围内。

3 软件设计

该系统使用Blinker作为物联网接入方案。Blinker是一套跨平台、跨硬件的物联网解决方案，提供手机APP端、设备端、服务端支持，使用例如Onenet、阿里云等公有云服务进行数据传输存储。Blinker提供了一套物联网设备开发api封装了不同平台的底层代码，无论开发者使用什么云平台、什么硬件，开发起来都大同小异，极大地方便了开发者。在手机APP开发上，Blinker提供了自定义布局来让开发者定制自己的APP操作界面。

3.1 手机APP设计

本系统使用Blinker在Arduino上基于Wi-Fi连接进行开发。由系统需要实现的功能上来定制，我们需要实现监控温度，所以需要有当前温度显示；我们需要手动开关加热设备以及显示加热设备工作状态，所以需要开关；我们需要设定温度以及加热时间，所以需要控制温度时间设定。如图4所示即是手机APP界面设计。

图1：系统组成图

图2：Arduino Uno

图3:18B20温度探头

图4：APP功能定制图

3.2 MCU程序设计

图5：MCU控制流程图

Blinker为Arduino提供了blinker Arduino支持库。使用Blinker.begin()函数来初始化Wi-Fi设置，并连接网络广播设备信息等待APP连接。Blinker.run()函数需要频繁调用以保持设备间连接并处理收到的数据,建议放在loop()函数中。手机APP通过定时向设备发送心跳包,设备收到心跳包后会返回设备当前状态，如果用户有自定义状态需要在收到心跳包时返回,可调用Blinker.attachHeartbeat()函数。设备建立后APP会立刻发送心跳包，此后每30s～60s发送一次，这也就意味着手机客户端不能实时更新数据，不过每次进入都是实时数据，时间间隔也基本满足需求。

MCU检测温度设定值变化，若发生变化则重新设定定时值以及温度值。总开关直接控制通断，定时记满直接断开继电器，在定时器未满时，当温度高于设定值上阈值断开继电器，当温度低于下阈值连通继电器。流程图如图5所示。

4 结束语

此系统基本完成了设计要求并基本实现了总体功能，在此温控系统的工作过程中，通过手机APP中对应的功能就可以控制实验室的设备工作状态，不需要人为值守，大大解放了生产力并节约了人力成本，为使用者提供了方便的同时也降低了安全事故的发生概率。在设备控制的方面，本系统采用了比较简单的方式来实现控温，未来若想实现更高级的控温效果可考虑使用PID控温方式，并使用测量温度范围更广的温度传感器来扩宽使用范围。