基于WIFI模块的家庭环境系统设计

朱 上 运

(安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001)

随着人们生活水平的提高，越来越多的人开始注重家庭环境对自身健康的影响，设计低成本、低故障率、低功耗的家庭环境检测是一种值得探讨的方案。

采用STM32F103C8T6为控制芯片，光照传感器的型号为BH1750，采用集温度和湿度检测于一体的DHT11传感器，并通过无线WIFI 模块ESP-01S把数据传输至阿里云，并可通过微信小程序实现温度和湿度的同步监测。

1 系统总体结构设计

该系统通过光照强度BH1750和温湿度传感器DHT11采集数据，并在STM32F103C8T6单片机中对获取的光照强度、温度、湿度数值进行封包。利用WIFI 模块将已经封包的数据，按照json格式传输至阿里云端服务器，云端将数据先存储在数据库中，再通过蜂窝数据传输至手机小程序。

用户通过小程序监测可视化的数据，并可自行设定温度、湿度和光照强度的阈值，达到警报线蜂鸣器发出警报，也可作为初步的家庭防火系统，以湿度过低或温度过高发出警报。该设备集成于小型pcb上，上下双层机构，大大缩小了体积，便于用户放置于家庭的任何角落，实现对于家庭环境的监测。因此该系统的整体模型如图1所示。

图1 监测系统总体结构

2 系统硬件设计

系统的硬件端由用来发出警报的蜂鸣器、温湿度传感器、光照强度传感器、0.96寸oled显示屏、一个cp2102串口模块和单片机最小系统所组成，下文着重描述传感器模块、WIFI 模块、供电模块。

2.1 传感器模块

为了节省设备空间，提高集成度，采用DHT11这种具有同时检测温湿度能力的传感器，再搭配一个1 kΩ电阻后可直接连接于单片机上，工作电压在3-5 V皆可。

光照传感器使用的是BY1750，由于其自带AD转换器，可以将光照强度直接转换为数据传输，省略了在CPU控制器端的复杂计算，直接与单片机相连实现数据直接传输，而且该传感器具有较强的分光特性，不区分环境光源，工作电压在3-5 V，又与其它模块相近是理想的光照强度检测模块。

2.2 WIFI模块

ESP-01S无线传输模块，工作于3-3.6 V的直流电压下，在一定的基础上优化了PCB天线，提高了传输效率，优化了用户体验，同样拥有3种AP、 ST A、AP+STA共3种工作模式，基于系统需要同时接受和发送数据所以选择AP+STA模式。

2.3 供电模块

由于DHT11温湿度传感器的工作电压为5 V，与CPU控制器以及WIFI模块的工作电压(3.3 V)不相同，因此采用了LM2576开关电源芯片，原因在于其内置保护电路，防止了过量电流及热熔断产生的危险。同时该系统采用assm117线性稳压芯片产生3.3 V的电压，可用最少的外围器件实现稳定的电压环境。

3 系统软件设计

3.1 云服务器

系统选择阿里云服务器，该服务器具有国内先进的加密服务和安全性，用户可以用较低的成本获得其优质的体验，缩短系统开发成本和工作量。通过MQTT协议，将数据存储于云端，基于MQTT协议的心跳机制，可以实时地得到WIFI模块的工作状态，降低人工成本。

3.2 微信小程序

为了更好地使用体验，采用轻量化的设计，将用户控制端放置于微信小程序中。在不增加设计成本的情况下，获得同样的使用体验，将客户端内置于微信小程序中，只需扫一扫或者收索，即可实现用户端的上线与操作，而且不用关心是否安装太多应用，以降低体验。

4 系统实验结果与分析

硬件设计集成于的PCb电路板上,如图2所示，设定好蜂鸣器的警报值后，再将书写好的程序烧录到系统中。

以下只给出设定蜂鸣器警报值的部分程序。

delay_ms(500);BEEP = 0;//鸣叫提示接入成功

delay_ms(250);BEEP = 1;

OneNet_Subscribe(devSubTopic, 1);

while(1)

{ if(timeCount % 40 == 0) //1000 ms / 25 = 40每秒执行一次

{ /**********温湿度传感器获取数*********/

DHT11_Read_Data(&humidityH,&humidityL,&temperatureH,&temperatureL);

UsartPrintf(USART_DEBUG,”温度：%d.%d湿度：%d.%d,humidityH,humidityL,temperatureH,temperatureL);

/**********光照传感器获取数据*********/

if (!i2c_CheckDevice(BH1750_Addr))

{ Light = LIght_Intensity();

UsartPrintf(USART_DEBUG,"当前光照度%.1f 1x ", Light);}

if(alarm_is_free == 10)//报警控制器是否关闭 alarm_is_free == 10 初始值为10

{

if((humidityH < 80) && (temperatureH < 30) && (Light < 1000))alarmFlag = 0;

else alarmFlag = 1;

}

if(alarm_is_free < 10)alarm_is_free++;

图2 PCB电路板

在数据进行烧录后，为其通电运行，将实物与小程序端的数据进行对比，可以清晰地发现在检测端检测到数据，成功的实现传输如图3所示。从图3可以看出，在设备端获得温湿度及光照强度的同时，设备端同样可以获得相同的数据，因此实现了设备端与用户端的数据交互传输，证明了该系统的可行性与稳定性，且为了美化用户端界面添加了天气和随机位置。

图3 检测端检测数据

5 结 语

在基于WIFI模块的家庭环境系统设计中,取得了预期的效果，实现了温度、湿度、光照的实时监控。在此基础上，亦可通过改变传感器模块来增加监测量，如MQ-2烟感传感器，来实现监测厨房安全等问题的监测。基于该系统具有较好的扩展性，可广泛应用于需要环境监测的场合，今后可通过将WIFI无线通信模块改为NB-IOT模块，以实现超远距离监控。