新工科背景下建设智能电子类实验室典型技术研究

田辉辉，张兴达，刘倩

（济南大学泉城学院，山东烟台，265600）

1 基于WiFi的电子类实验室温湿度监测系统介绍

该系统主要包括上位机监控端（手机客户端）、下位机温湿度实时监测执行端，其结构简图如图1所示。

图1 基于WiFi的电子类实验室温湿度监测系统结构图

2 下位机电路的设计

下位机电路主要包括：DHT11温湿度传感器模块、WiFi发射模块、核心控制器STC单片机、显示模块、继电器控制温湿度调节模块、报警模块。STC单片机为控制核心，通过接收温湿度传感器DHT11发送的温湿度信号进而控制温湿度调节模块，也就是直接控制四组继电器通电断电，四组继电器通过通断电分别控制所连接的制热片、制冷片、干燥器和加湿器工作。单片机同时控制WiFi发射器发射出无线局域网信号。

其中，核心控制器采用宏晶科技的STC89C54单片机，P0口、P2.5～P2.7分别接1602液晶显示器7～14引脚、4引脚、5引脚和6引脚；P1.2接蜂鸣器，用来声音报警；P1.3～P1.6分别接控制湿度升降、温度升降的继电器；P2.4接DHT11温湿度传感器；P3.0和P3.1接WiFi发射器；RST接复位键，用于温湿度值的复位；XTAL1和XTAL2接振荡电路；GND接地；VCC接电源+5V。图3给出了主控芯片接线图。

温湿度报警模块：DHT11探头监测温度和湿度异常，单片机接收到信号，单片机通过四个继电器控制实现调节温度和湿度，当达到设定值时单片机控制继电器停止工作。

WiFi发射模块：接收到STC单片机传送来的信号通过端口发送到路由终端再由终端端口将数据发送到服务器再到客户端或直接到客户端。

图2 下位机电路总框图

WiFi模块采用HC-21WiFi 串口通信模块由两部分组成：WiFi电源指示灯和WiFi发射器。WiFi电源指示灯部分由一个发光二极管和一个阻值为10K的电阻串联而成，接入3.3V直流电源。WiFi发射器第17、18引脚接地，第20引脚接3.3V直流电源，第25引脚接单片机P3.0接口，第27引脚接单片机P3.1接口，目的是连接STC单片机用于传输数据，将下位机数据传送给上位机。此WiFi发射器与控制核心STC单片机采取全双工异步通信方式，可同时接收来自单片机发来的信号和向单片机发送信号。

图3 主控芯片电气原理接线图

3 系统软件设计

系统采用模块化程序编写方法。主要为主程序和各个功能子程序，他们共同完成系统功能，具体的功能描述为：

系统连接电源后STC89C54单片机开始启动，WiFi发射器开始启动，开始向外发射WiFi信号，DHT11温湿度传感器开始采集温湿度数值，然后将采集的温湿度数值传送给核心控制器STC单片机，单片机根据预设的程序控制四组继电器的通电与断电，进而控制温湿度的升降，同时单片机将收集到的温湿度数据传输到WiFi发射器，WiFi发射器接收到单片机传送的信号开始根据预设程序执行相应的动作向外发射WiFi信号，手机APP接收到来自WiFi发射器发射的信号会显示当前测量点的温湿度数值，并且通过手机APP上的升温度、降温度、升湿度和降湿度四个功能键可以人工的调节测量点范围内温湿度的升降。下面将对手机模块与WiFi模块设计进行说明。

图4 手机APP端的简单界面

手机客户端软件：使用Eclipse软件，通过Java语言进行相关程序的编写，然后将其下载至用户手机，安装成功后手机上便有一个控制软件，将装有客户端的手机连入WiFi发射器发射的无线局域网内，然后启动手机APP，手机APP接收到来自WiFi发射器发射的信号后会自动识别并读取信号，然后通过预设的程序自动的将信号转变成温湿度值显示在手机APP界面上，在手机APP界面上可以人工的通过点击升温度、降温度、升湿度和降湿度四个功能键来控制四组继电器工作，进而控制测量点范围内的温湿度调节。图4给出了APP端的简单界面。

图5 WiFi模块程序流程图

WiFi模块程序：连接电源并启动WiFi发射器，WiFi模块接收来自单片机的数据，然后分析单片机传来的数据，WiFi发射器预设6种程序，分析数据后WiFi模块执行相应预设程序的动作，发出无线局域网信号。图5给出了WiFi模块程序的流程图。

图6 系统运行实物图

4 系统整体功能调试与实现

在设计完成之后将整体系统进行测试，图6给出了系统的测试结果，测试表明系统实现了基本的温湿度监测功能，系统稳定可靠。

5 总结

本文通过基于WiFi的电子类实验室温湿度监测系统的设计实例讲解，展现运用新的科技理念设计新型产品的思想，契合教育部对高校进行新工科方面建设的理念，这是新工科理念在教学环境改善方面的一次尝试。