高精度室内温湿度控制系统的设计

［摘 要］工业及家用环境下，对温湿度的控制都很重要，为了解决传统温湿度采集和控制智能化程度不高、人工参与较多、无法大范围大面积推广的问题，文章提出一种高精度室内温湿度控制系统，可远程实时控制并解决上述问题。

［关键词］实时控制；远程；自动

［中图分类号］TU831 ［文献标志码］A ［文章编号］2095–6487（2024）04–0001–03

工业应用中，室内环境的温湿度可能直接影响设备的工作状态，温度过高或过低、湿度过高或过低都可能会导致设备发生故障。而在日常生活中，室内环境的温湿度会直接影响人们的生活标准，甚至影响身体健康。

目前常用温湿度的采集和控制方法智能程度不高，一般是采用单点检测或多点检测，人为观察且手动控制，不仅耗费人力，还很难实现对温湿度的实时控制以及大面积不同地点的适应性控制。

1 高精度室内温湿度控制系统组成

文章所提出的高精度室内温湿度控制系统，通过在所需进行温湿度控制的空间内，多点放置温湿度传感器以及温湿度调节装置，如空调、抽湿机、加湿器等，多方位同时调节该空间内的温湿度。

温湿度控制系统包括多组温湿度采集单元、多组温湿度调节单元和上位机。

上位机具有温湿度预设存储单元、对比单元及执行单元，并电连接有人机交互装置，人机交互装置是可用于输入目标温湿度参数的键盘和用于操作人员监控的显示器，通过对目标温湿度的参数进行调节，以满足不同的生产生活需求。上位机还电连接有智能终端实现信息实时同步。随着目前手机普及率及使用频率的升高，其可利用手机App 实现智能控制。上位机还设有报警装置。当调节单元或温湿度采集单元出现故障，均会产生报警信号，启动报警装置。

每组温湿度采集单元包括MCU 控制器、至少1个温湿度传感器、I2C 通信模块，每个温湿度传感器通过I2C 通信模块与MCU 控制器电连接。MCU 控制器通过无线通信模块与上位机电连接。

温湿度调节单元，一般为空调、抽湿机和加湿器。

温湿度传感器用于采集其所在位置的温湿度信息，此处的温湿度传感器不止1 个，I2C 通信模块实现温湿度传感器和MCU 控制器之间的通信，将1个或者多个温湿度传感器采集的温湿度初始值传至MCU 控制器；MCU 控制器通过接收1 个或者多个温湿度传感模块的温湿度值，并将该值进行优化处理，例如，测算平均值，即去掉最大值和最小值后测算平均值等，然后通过无线通信模块传至上位机；当某个数据超出误差范围发生异常时，也会将报警信号传至上位机，上位机通过接收多个MCU 控制器发送的温湿度信息，对各个温湿度信息及温湿度传感器所在的位置信息分别显示，且通过预设存储单元内的温湿度要求与实际温湿度信息进行对比判断，执行单元通过无线通信对空调、除湿机和加湿器进行PID 控制，从而实现对厂房内或室内的温度和湿度的远程控制。

高精度室内温湿度控制系统原理如下。

（1）通过多个温湿度传感器分别对相应位置的温湿度信息进行采集，并记录多个温湿度传感器所在的位置。

（2）每组温湿度信息通过I2C 通信传送给相对应的MCU 控制器，并通过MCU 控制器对温湿度信息进行处理，并增加相应的位置信息，并通过无线通信模块传输至上位机。

（3）上位机通过对不同点位的温湿度信息进行判断，并和该环境所需的理想温湿度进行对比，从而对不同位置的空调、除湿机和加湿器进行PID 控制，从而实现检测环境温湿度的自动控制。该控制系统原理如图1 所示。

2 主要模块介绍

2.1 温湿度传感器

温湿度传感器选用SHT3x，其实物如图2 所示。具有精度高、方便进行电路设计、可I2C 通信等优点。

SHT3x 湿度和温度传感器基于CMOSens® 传感器芯片，更加智能、可靠，精度更高。具有增强的信号处理能力、两个独特的用户可选I2C 地址，通信速度高达1MHz。相对湿度（RH）精度为±1.5%，典型温度精度为±0.1℃。具有2.5mm×2.5mm×0.9mm（长× 宽× 高）占位面积，电源电压范围为2.4～5.5 V。

2.2 MCU控制模块

为将传感器数据传递至上位机， 给每个温湿度传感器配备MCU 控制器， 可采用I2C 通信，将温湿度传感器的温湿度发送至该温湿度传感器的MCU 控制器， 为了实现多点无线测量，MCU 控制器和上位机之间采用无线通信模块进行通信。

控制器选择单片机作为控制芯片，通过I2C 接收温湿度传感器的温湿度信息，并将该信息进行解析，通过串口转无线模块，将该温湿度信息发送至上位机，并在自身显示屏上显示。MCU 控制模块及传感器实物如图3 所示。

每个MCU 控制器对同组内的温湿度传感器的采集信息进行统计、计算，并对位置信息进行编号。编号使得无论哪组温湿度采集单元出了问题，都能够快速的判断故障源，方便检修。

每组温湿度采集单元至少包括3个温湿度传感器。当设置的温湿度传感器大于等于3 个时，MCU 控制器可对3 个温湿度传感器的数据进行判断筛选，去掉温度、湿度数据的最大值和最小值，其余温度、湿度数据截取平均值传输至上位机，且当某组数据异常，超出设定的误差范围时，MCU 控制器也会将报警信号传输至上位机，以有效防止温湿度传感器损坏后的误判行为。

2.3 上位机

温湿度调节的核心单元为上位机，其可实现收集多个传感器的温湿度信息，并通过建模分析，对各个温湿度调节单元下发调节指令，为了更加方便使用，上位机还电连接人机交互装置，其包括用于输入目标温湿度参数的键盘和用于操作人员监控的显示器。上位机显示界面如图4 所示。

3 高精度室内温湿度控制系统优点

文章所述远程分布式温湿度自动控制系统具有以下优点。

（1）可同时远程采集多个分布式点位温湿度信息，并通过上位机进行集中显示和处理。不同于常规的分别对单点温湿度信息采集，远程分布式控制系统可有效分析各个点位的温湿度信息，从而对整个检测环境实现更加有效的控制。

（2）可远程自动控制多组温湿度调节单元，通过对不同点位的温湿度信息进行判断，并通过对比不同温湿度采集点和不同温湿度调节单元的位置信息，对检测环境进行温湿度控制，相较于传统的同时控制，更加节能，同时有效避免了局部温湿度不达标的情况。

（3）不同位置的温湿度可根据不同需求进行调节，且可人工输入不同位置的目标温湿度参数。

（4）每组温湿度采集单元设置多个温湿度传感器，可有效防止温湿度传感器异常，避免生产、生活受到负面影响。

（5）稳定性好、可靠性高，可广泛应用到智能家居领域以及工业生产中。

4 结束语

通过对传感器的选型、MCU 电路的设计、上位机的界面设计、传感器的布局设计进行分析，并结合理论计算，实现了温湿度的远程控制。本系统已过多场景现场调试，系统稳定性及精度得到了验证，后期可批量的应用。

参考文献

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