基于物联网的智能温湿保养箱设计

刘炜杰 郭磊 梁灿强 佘伟伟 黄振兴

摘  要：在目前市场上，针对西方乐器设计的保养箱比比皆是，而专门为中国传统乐器制造的保养箱却寥寥无几，已经无法满足人们对保养中国传统乐器的需求。针对这一现状，文章以STC89C52为主控芯片，基于物联网设计APP，通过调节系统的设定，以及不同模式、不同乐器的选择，设计出智能温湿保养箱，实现了对古筝、古琴以及二胡的智能温湿度调节。

关键词：物联网;智能;智能温湿保养箱

中图分类号：TN929.5         文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）04-0174-04

Design on Intelligent Temperature and Humidity Maintenance Box Based on Internet of Things

LIU Weijie， GUO Lei， LIANG Canqiang， SHE Weiwei， HUANG Zhenxing

（Guangdong Ocean University， Zhanjiang  524088， China）

Abstract： In the present market， there are many maintenance boxes designed for western musical instruments， but there are very few maintenance boxes specially made for traditional Chinese musical instruments， which can not meet people’s demand for the maintenance of traditional Chinese musical instruments. In view of this situation， this paper takes STC89C52 as the main control chip， based on the Internet of Things design APP， through the setting of the adjustment system， as well as the choice of different modes and different musical instruments， designs intelligent temperature and humidity maintenance boxes， and realizes the intelligent temperature and humidity regulation of Guzheng， Guqin and Erhu.

Keywords： Internet of Things; intelligence; intelligent temperature and humidity maintenance box

0  引  言

随着我国经济不断发展，人们已经不满足于基本的物质生活，大多数人开始追求精神上的满足。同时，我国的传统乐器、词曲处处彰显着传统文化艺术的张力，是传统文化不可多得的艺术瑰宝[1]。传统乐器被越来越多的人所知晓，越来越多的人开始学习中国传统乐器，比如古筝、古琴、二胡等。大部分中国传统乐器都是由木材制作的，所以乐器本身对木质要求较高，需要对其温度以及湿度加以调控以保证其音质以及使用寿命。然而，在如今市场上，对于西方乐器的除湿箱数不胜数，但专门针对中国传统乐器的温度湿度调控箱则少之又少。针对传统乐器，市场上主要还是以人工除湿为主，但是人工除湿没有办法控制除湿质量，不够可控。同时，没有办法在乐器主人不在家的时候进行除湿等工作。若是能够在乐器使用者不在家的时候进行对箱内的温度以及湿度进行远程监控，还能够切换各种各样的模式，那么更加能够方便乐器的使用者进行使用。针对传统乐器的温度以及湿度的调控设计一个智能温湿度保养箱，成为保证乐器音质、延长传统乐器使用寿命以及方便乐器使用者使用的迫切需求。

1  智能温湿保养箱的总体设计方案

1.1  功能描述

智能温湿保养箱主要应用于古筝、古琴、二胡等传统乐器的保养，使得温湿度完全可控。并且基于物联网，乐器使用者对于保养箱的温湿度的操控能够实现远程操控，即使使用者出门在外，也可以对保养箱内部环境的进行监控，方便乐器使用者的使用。乐器使用者能够通过对保养箱內部设定的温湿度，在智能调控下，使乐器处于最适宜的温湿度环境，从而使乐器到达最佳的保养效果。就能够让乐器在适宜的温度以及适宜湿度保养下发出更优良的音质，演奏出更加动听的乐曲，同时大大地延长了乐器的使用寿命。

1.2  总体设计方案

智能温湿保养箱由保养箱、功率电源、控制主板三大部分组成，由于STC89C52低功耗，高性能[2]，所以选择STC89C52为主控芯片，DT11温湿度传感器获取箱子内部的实时温湿度，128×64 OLED显示屏显示温湿度，ESP8266 Wi-Fi模块联网，其连接MQTT服务器实现远程操控，继电器模块控制着除湿器、加热器、加湿器的开关。保养箱为20 cm×20 cm×60 cm亚克力材质制作的箱子，其内部放置有一个42 cm×11 cm×8 cm的古筝模型。主控芯片将温湿度数据上传到MQTT服务器，由于MQTT协议在数据传输中传递的数据量小[3]，通过接收MQTT服务器返回对设定数据与实际温湿度作对比，从而让继电器控制相应的器件工作。以下为设计方案具体流程：

在DT11温湿度传感器获取实时温湿度给主控芯片后，主控芯片通过数据处理后，通过串口中断将温湿度数据发送给Wi-Fi模块，Wi-Fi模块则将数据上传到MQTT服务器，最后手机APP获取Wi-Fi模块在MQTT服务器发布的温湿度信息并在实手机界面显示温湿度数据;同样手机APP上传设定的温湿度等数据到MQTT服务器，Wi-Fi模块通过获取手机APP在MQTT服务器上发布设定的温湿度数据通过串口接收传达到主控芯片，主控芯片作温湿度对比，若设定温度大于实际温度，则主控芯片主控加热器工作，若设定湿度小于实际温湿度，则除湿器工作，等等。具体功能流程如图1所示。

2  保养箱的设计

保养箱为20 cm×20 cm×60 cm亚克力材质制作的箱子，顶部便捷式翻盖设计，密封性较好，使得乐器在温湿度调节时不容易受外部因素影响。其内部放置有一个42 cm 11 cm×8 cm的古筝模型、一个DT11温湿度传感器、一个加湿器、一个加热器、一个除湿器并具有降温作用和一条LED灯条。DT11温湿度传感器放在古筝模型出声孔处监控其温湿度，乐器出声孔的保养对乐器的出音效果尤其重要。除湿器则镶嵌在保温箱的一侧壁上，其具有降温除湿的效果，其核心使用半导体TEC1-12705制冷片，其大风扇一侧为半导体制冷片散热，小风扇一侧为制冷端，通过对气体的冷却液化，提供对箱子里得降温和除湿功能;加湿器放在另一侧，加湿器以雾化器模块工作，加上小风扇对雾化气体驱动能快速达到设定湿度;加热器由PTC加热电板、散热片及小风扇组成，其放置在箱子中间，工作是小风扇将加热气体通过散热片向两边扩散，温和的达到升温效果，同时也具有一点除湿效果;LED灯条是提供照明作用，可通过手机APP控制其开关。保养箱如图2所示。

3  调节系统的设计

本温湿度调节系统主要针对中国传统乐器古筝、古琴、二胡这三种进行设计。系统涵盖有两大模块，分别是数据显示模块和控制模块。数据显示模块会将乐器所在环境的设备上传之后的当前温度、当前湿度、当前模式状态、LED状态、设定温度和设定湿度的数据显示在界面上，使得使用者知晓保养箱内部环境。控制模块又分为自动模式和手动模式，主要是改变设备的运行模式和LED灯的开关，具有改变设备温度、湿度和LED的开关的功能。

数据显示模块又分为四个模块，即温湿度显示、设备连接状态、当前乐器、LED状态指示灯。打开软件后可以看到连接状态从未连接变为已连接，并将乐器所在环境的温度和湿度显示出来。LED开关可控制设备的LED灯。

控制模块又分为自动模式和手动模式。在自动模式下，界面会有“改变温度”和“改变湿度”的按钮，点击后会分别出现相应的界面，同时提示你输入数值，点击后，界面的“设定温度”和“设定湿度”这两项将分别显示所输入的值，保存乐器的设备会将温度和湿度调至所设定的值，每隔3秒将乐器当前的湿度和温度返回。打开自动模式后，系统会提示选择乐器，选择了乐器后，由于自动模式下的设定温度和设定湿度的值为所选择乐器的最佳保存温湿度。系统会自动将保存乐器的设备调至所选乐器的最佳保存温湿度，例如，古筝最佳的温湿度为22 ℃，最佳湿度为55%;古琴最佳温度为23 ℃，最佳湿度：45%;二胡最佳温度为22 ℃，最佳湿度为60%。那么，如果在自动模式中选择古筝，温度将自动调至22 ℃，湿度调至55%。如果在自动模式选定古琴，温度将自动调至23 ℃，湿度调至45%。

在手动模式状态下（即自动模式开关关闭状态下），则可以自动选定需要的温湿度，使得软件能够按照使用者的选定进行调节。

4  控制主板的设计

控制主板由STC89C52单片机芯片、0.96寸128×64 OLED显示屏、DT11温湿度传感器、继电器模块、ESP8266 Wi-Fi模块、电压转换模块、辅助显示的LED灯（及100 W功率电源）组成。

主板芯片功能是获取传感器的实时温湿度：通过对传感器的充放电来获取传感器对主板芯片发送的8位数据，并通过移位算法，数据变换，从而获得较为精准的温湿度数据;然后，由于IIC消耗系统资源最少[4]，则以IIC协议在OLED屏幕上显示实时的温湿度数据;控制继电器模块连通功率电源对加热器、除湿器等模块的工作;除此之外，控制主板和手机APP设计有手动设置和自动设置温湿度模式：自动模式下，辅助显示LED灯为蓝色，手动模式则为红色，OLED显示屏也会显示对应的模式下的乐器名称，提供了便捷性功能。ESP8266 Wi-Fi模块能够实现串口与Wi-Fi之间的转换[5]，则使用ESP8266 Wi-Fi模块与控制主板通过串行口通信，电压转换模块给Wi-Fi模块供电。

ESP8266 Wi-Fi模块与MQTT服务器的连接，MQTT服务器为阿里云端通过的服务器，Wi-Fi模块连接MQTT服务器可以对进行订阅主题、发布信息等操作，从而与同样进行订阅发布信息等操作的手机APP端进行数据通信。ESP8266 Wi-Fi模块以“AT指令”为基础，烧录了AT+MQTT固件来与MQTT服务器的连接，主控芯片通过串口通信发送“AT”指令控制ESP8266 Wi-Fi模块的工作模式为station（客户端模式），接入是可连接路由器或手机热点实现联网，并以AT+MQTT固件指令配置好MQTT服务器客户端信息及连接MQTT服务器，最后基于MQTT的订阅主题、发布信息协议来订阅手机APP端的主题便可接收到手机发布设定温湿度等信息，同样手机APP也订阅ESP8266 Wi-Fi模块的主题便可接收到ESP8266 Wi-Fi模块发布实时温湿度信息。主控芯片通过串口接收到APP发布的信息进行数据解析，就可以实现手机APP与主控芯片的信息互通，从而完成远程智能温湿度控制功能。

5  功能测试

智能温湿保养箱初始化后，ESP8266 Wi-Fi模块连接上了手机热点后并发布实时温湿度信息，同时OLED屏幕也显示箱内实时温湿度信息，乐器名称显示默认为“古筝”，打开手机APP接收到主控板上传的实时温湿度信息，通过手机APP设定的自动模式下，蓝色LED灯亮起，OLED也显示了对应的乐器模式的名称，测试时温度较低，湿度较高，加热器与除湿器开始了工作;最后将模式调到手动模式，调到人工的设定的温湿度，在加热器与除湿器工作一段时间后便达到了设定的温湿度。

由图3可知，基于物联网的智能温湿保养箱在不同模式下能够设定不同的模式，实现了传统乐器的养护。

6  结  论

随着科学技术的发展，人工对古筝等传统乐器进行养护已经远远不能满足人们的需求，需要使用更加智能的温湿度保养箱调节乐器的温度以及湿度。但是针对传统乐器的温湿度保养箱在市场上的普及程度非常低。基于物联网的智能温湿保养箱以STC89C52为主控芯片，通过调节系统的设定，通过不同模式，不同乐器的选择，实现了对古筝、古琴以及二胡的智能温湿度调节，更好地对传统乐器进行养护，更好地保证乐器本有的音质，延长乐器的使用寿命。同时，全球开始逐渐演化为一个庞大的智能物联网系统。为顺应物联网发展的潮流，基于物联网的智能温湿保养箱能够实现远程自动调温调湿，更加安全可靠，显示直观，减少人为干预所产生的时间，在一定程度上节约了时间。通过远程控制，更加方便生活。

参考文献：

[1] 杨睿一.古筝教学中渗透文化艺术实践研究 [J].文化产业，2022（5）：43-45.

[2] 乔琳君，魏严锋.基于STC89C52单片机的自动换气扇系统设计 [J].电子设计工程，2021，29（8）：173-176+181.

[3] 陈洵.基于MQTT的农业物联网管理平台的设计与实现 [D].保定：河北农业大学，2021.

[4] 葉坤涛，殷超，吉俄木沙，等.IIC总线IP核的改进研究 [J].电子器件，2020，43（3）：628-634.

[5] 张琥石，林伟龙，邓日练，等.基于ESP8266 Wi-Fi模块的物联网数控直流电压源的设计 [J].现代电子技术，2019，42（20）：33-36.

作者简介：刘炜杰（2000—），男，汉族，广东江门人，本科在读，研究方向：软件设计;通讯作者：郭磊（1982—），男，汉族，黑龙江哈尔滨人，讲师，博士，研究方向：图像处理与机器视觉;梁灿强（1999—），男，汉族，广东肇庆人，本科在读，研究方向：硬件设计;佘伟伟（2002—），男，汉族，安徽芜湖人，本科在读，研究方向：机器视觉;黄振兴（1998—），男，汉族，广东廉江人，本科在读，研究方向：机器视觉。