基于ESP8266的可视化温湿度实时监测器的设计

冯娜娜，冯娟娟，杨延宁，安厚儒，郝介一

(1.延安大学物理与电子信息学院；2.陕西省能源大数据智能处理省市共建重点实验室，陕西延安716000；3.沈阳工业大学电气工程学院，辽宁沈阳110870；4.昆明理工大学马克思主义学院，云南昆明650000)

随着互联网的快速发展，现代人更加追求高品质的舒适生活，对自身健康更加关注，对生活的环境质量要求随之增高，所以智慧城市、智能家居等应运而生，而其中以监测环境温湿度为主的智能设备也广受追捧[1，2]。早在上世纪70年代，国外一些科研工作者利用模拟信号进行人工测量、记录，其测量误差大、效率低、且不能实时控制温湿度[3]。随着电子测量技术的发展及温湿度传感器的诞生，将温湿度传感器与控制器连接实现测量控制，但由于有线导致远距离传输困难、线路维护麻烦，故在实际应用中给用户带来了很多不便[4]。近年来，随着集成电路、无线通信等飞速发展，体积小、无线远距离传输等已经基本满足实际需求，但是依然不能解决温湿度数据的实时可视化问题。目前市场上的温湿度检测器主要以STM32为基础，但存在元器件的价格高、项目开发周期较长、物联网方面的参考资料相对较少、实时数据显示差等问题。而基于ESP8266模块[5-7]的温湿度实时监测器的系统模块具有结构简易、成本较低等特点，与百度物联网云平台实现数据交互并实时显示数据，且适合与多种设备一起搭建智能家居系统，故在各个领域具有较高的商业价值[8-10]。

1 方案设计

图1所示是系统方案设计图。本系统主要由DHT11温湿度传感器，ESP8266模块和百度智能云云端三大部分组成。其中，DHT11温湿度传感器[11-13]用来采集温湿度数据，ESP8266模块负责与百度智能云云端实现信息上传与下发，并将DHT11温湿度传感器所测得的数据发送至百度智能云云端，显示在设计的对应网页上，以此实现云端、用户设备、网页三方间的数据实时交互。

本系统以ESP8266为核心处理模块，主要因为该处理器具有运行速度快、物联网相关的开发资料丰富、内部电路结构简单、I/O口的资源配置较为方便、性价比高等特点，可以满足本系统的全部性能指标要求。该系统模块较为简易、易于后续的维修与检查，且由于各个模块价格较为低廉，性价比较高，所以本设计采用此方案。在系统中，百度云物联网云平台免费向个人开发者提供可视化的物联网[14]开发平台，它适应各种主流物联网传输协议(例如TCP/IP协议、MQTT协议等)，能兼容各种网络环境，减少物联网企业和个人的研发，运营和维护费用。通过整合云端资源，提供数据存储、数据可视、能力输出、数据分析等服务能力并开放第三方API接口，可推进个性化应用系统构建。用户可以根据自身需求设计个性化的操作界面，百度云物联网云平台[15]的接入设备包括3部分：

(1)开发者注册、认证百度云物联网云平台，并创建产品。

(2)通过AIRKISS技术对设备进行联网并对上传的数据进行组包发送。

(3)设备和平台建立连接如果返回了error0，即代表数据上传成功，可以去百度云平台的数据显示处查看刚刚上传的数据。如图2所示是百度云登录界面。

2 硬件电路设计

2.1 ESP8266-12WIFI模块最小系统

本系统以ESP8266-12WIFI[16]模块为局域网搭建的核心部分。ESP8266是一款超低功耗、封装尺寸小的UART-WIFI透传模块，采用Airkiss技术使得用户可以通过特定的APP(Airkiss Demo)或者微信等在手机终端实现正常配网。本设计采用可编程ESP8266-12WIFI模块，不仅降低了系统的运行成本，而且能安全、快速地完成配网功能。本系统主要使用GPIO控制功能(控制开关，继电器等)和STA通信功能(ESP8266模块通过路由器连接互联网，手机或电脑实现对设备的远程控制)，通过ESP8266利用无线局域网上传到百度云物联网云平台，用户可以在设计的网页查看接收的实时温湿度数据。如图3所示是ESP8266-12WIFI模块电路原理图。

2.2 温湿度传感器模块

温湿度传感器DHT11的引脚分别为1VDD：供电3.5 V-5.5 VDC；2DATA：串行数据，单总线；3NC：空脚；4GND：接地，电源负极。该传感器具有响应快、抗干扰能力强、性价比高等优点。ESP8266-12WIFI模块对温湿度传感器DHT11的I/O口进行数据的测量，能够输出已校准的数字信号，并通过ESP8266-12WIFI模块无线上传到百度云物联网云平台。同时，用户可以在电脑端的云台或网页查看采集的温湿度实时数据。如图4所示是DHT11温湿度传感器电路原理图。

3 电路调试与结果

3.1 系统工具及介绍

本系统的硬件设计主要工具有DS1022C示波器、万用表等。软件设计主要平台有AiThinkerIDE_V1.0编译环境、百度智能云服务器、百度智能云平台等。其中，系统部分程序如图5所示。

3.2 系统调试

系统调试包括软、硬件及综合测试。软件调试采用AiThinkerIDE_V1.0编辑程序，并编译、链接、运行，检查程序是否存在问题，若运行出现多个error，及时修改程序，使得程序正常运行。硬件测试需要根据电路检测模块的电路原理图连接是否存在问题，并使用示波器对DHT11温湿度传感器和ESP8266-12WIFI模块的时序图进行检测。同时，检测元器件是否存在虚焊、漏焊或将器件的管脚错焊等，以确保电路板的正常工作。综合调试主要用来测试整个系统性能指标是否达到预期设想，包括对硬件电路的测试以及软件系统的调试，通过综合调试可以判断出系统是否达到预期目标。当综合调试达到预期目标后，进行人机交互模型中进行相关性能指标的检测。当全部系统配网成功后，在人机交互模型中开始相关数据的测试。在百度云物联网云平台上创建相应的触发器，并设计对应的网页将采集的数据显示在网页上。

3.3 测试结果

本实验模拟2020年某一天室内环境的温湿度变化，利用该系统采集室内的温湿度数据。其中，系统采用DHT11温湿度传感器采集室内的温湿度数据，ESP8266模块将所测得的数据发送至百度智能云端，并显示在设计的对应网页上。经过多次的实验测试，比较模拟室内温湿度数据与网页上显示的温湿度数据是否一致。模拟室内环境采集的实验数据记录如表1所示。

表1 模拟室内环境采集数据记录表

经实验调试验证，在不同环境条件下测试本系统的性能，室内温湿度数据与网页上显示的温湿度数据基本一致，且在误差范围内，故验证了此系统的功能设计。电路测试如图6所示，该设计较为简易且成本低。实验表明本系统运行稳定可靠。

4 结论

针对现代生活中智能设备越来越流行，监测环境中实时温湿度的变化也备受欢迎的问题，本系统设计了实时可视化的温湿度监测器。该设计包括主控MCU和硬件设备两部分。主控MCU主要由ESP8266-12WIFI模块、外围硬件电路构成，并与百度云物联网云平台进行数据交互，从而实现温湿度数据的实时可视化。硬件设备主要由温湿度模块构成，并通过Airkiss技术实现正常配网并实现各设备之间的数据交互，从而控制硬件设备的运行状态。实验测试结果表明，该系统运行准确、稳定、操作方便，可广泛应用于农业、医院、工厂、日常生活等场所。