基于物联网的恒温恒湿箱的远程监控系统设计

吕俊蓉，王利恒

（武汉工程大学 电气信息学院，武汉430205）

恒温恒湿箱是用于对各种产品、零器件进行环境测试的实验装置，一次实验时间一般很长，如需要及时了解测试过程中的参数，需要试验人员就地守护，否则只能试验完成之后离线查询数据。

随着物联网技术、计算机技术和嵌入式技术的发展，将物联网技术与工业测试设备相结合，可以实现远程在线实时的监测到所有测试数据，并且可以提高自动化程度，实现一人在线管理多台设备。同时物联网技术也可以将设备厂家和用户连接起来，实现远程故障诊断与处理，改善设备的用户体验。针对工业测试设备的数据不大和实时性要求高的特点。本文在传统的恒温恒湿试验箱的基础上搭建了窄带物联网系统，从而实现工业恒温恒湿试验箱远程智能化的管理和监控功能。

1 系统总体设计

恒温恒湿试验箱控制系统是一个多变量、非线性、大滞后、强耦合的系统，需要短时间内提供一个符合检测精密零器件所需温湿度的稳定环境，所以恒温恒湿试验箱需要无偏差的控制温湿度的值。

为了使试验箱快速稳定的到达所设定的温湿度值，并使试验人员了解测试过程中的参数，设计了一套基于物联网的恒温恒湿试验箱远程监控系统，可以及时地查看试验箱的运行状态，调整试验箱工作运行时的参数，保证试验箱正常的工作状态，系统的总体设计方案如图1所示。

图1 系统的总体设计方案Fig.1 Overall design of system

系统中体现了完整的物联网方案，本方案中包括物联网平台、业务应用和终端设备。恒温恒湿试验箱作为终端设备，通过无线模块，将采集的温湿度参数变化的值通过数据链路传输到物联网平台中，试验人员可在业务应用层上读取到相应的数据；试验人员也可通过业务应用层把控制信号传输到物联网平台中，通过相应的数据链路传输，进行控制信号的类型转化，从而调控试验箱的运行状态。整个数据的传输过程，实现了恒温恒湿试验箱基于物联网的远程查看和控制。

2 系统终端设备设计

2.1 主控芯片

主控芯片选择的是STM32F103C8T6 微处理器，STM32F103C8T6 是一款基于ARM Cortex-M 内核STM32 系列的32 位的微控制器，其运行功耗较小，能够连接多种类的外设，需要的工作电压是2～3.6 V，工作时的温度为-40 ℃～85 ℃。其最高频率高达72 MHz，程序存储器容量是64 KB，可连接CAN，I2C，UART/USART 和USB 等接口实现数据的有效传输，同时具备较多的IO 接口，所以被广泛的应用于各种嵌入式系统的开发设计中。在本系统设计中，可以控制执行相关程序，接收和发送采集的数据。

2.2 温度传感器模块

温度传感器采用的是PT100 温度传感器，该传感器主要是用于将温度变量转换为可以标准化输出的测量信号，主要是用于温度参数的测量，该传感器工作的实现是基于测量铂电阻阻值的变化。

在本系统中，PT100 传感器对于测量温度和湿度以及其相关参数的变化，需要测量电路配合使用，用于采集阻值的变化，从而推算出对应的参数值，由于采集到的信号为模拟信号，所以需要由AD转换电路将模拟信号转换为数字信号，该温控的工作模块如图2所示。

图2 PT100 工作接线图Fig.2 Working wiring diagram of PT100

2.3 NB-IoT 通信模块

NB-IoT 通信技术是窄带物联网（narrow band internet of things）的简称，是IoT 行业中基于蜂窝的窄带物联网的一种新兴技术，支持低功耗设备在广域网中进行蜂窝数据的连接，可直接部署于GSM 网络、UMTS 网络或者LIE 网络[1]。并且NB-IoT 技术是属于授权频谱，使用License 频段，可采用带内、保护带或者独立载波等3 种部署方式，具有覆盖广、连接多、速率低、成本低等特点[2]。

本系统选用BC28 无线通信模块进行上行数据和下行数据的传输，BC28 是一款超紧凑、高性能、低功耗的多频段NB-IoT 无线通信模块，由BC28 模块完成数据的无线传输，可以保证在低频或者信号不稳定的工业环境中，有效地进行数据传输。BC28无线通信模块作为独立的外设，通过串口TX 和RX与STM32 进行连接，接线如图3所示。

3 系统业务应用层设计

图3 BC28 工作接线图Fig.3 Working wiring diagram of BC28

整个物联网系统需要完成对设备数据信息的存储和分析，通过业务应用层实现用户和物联网系统的通信，在软件终端完成与设备的实时数据交互，实现对恒温恒湿试验箱的有效监控。

3.1 软件终端设计

试验人员可以通过业务平台实现对试验箱的远程控制。登录web 端或者移动端，申请查看数据库中的数据，软件控制系统流程如图4所示，可在登录页面中查看终端设备上传的温湿度值变化趋势和实时数值，同时可根据该数值进行判断，若当前温湿度值没有到达设定值，则可在页面中修改参数，完成远程控制，并查看相应的温湿度变化折线图。

图4 软件控制系统流程Fig.4 Flow chart of software control system

3.2 网页端设计

网页页面终端的设计，是进行人工交互的重要一步。网页设计采用esplise 软件进行编写，使用JavaScript，HTML 和CSS 语言进行编写，通过ajax技术异步读取存储在数据库里的数据，实现远程监控数据。网页页面设计如图5所示，可在页面中完成温湿度及其相关参数的变化趋势的折线图和实时显示当前温湿度的值等相关查询，同时根据查询结果完成相应的控制，可保证试验箱稳定的工作状态。

图5 网页控制页面Fig.5 Web page control page

3.2.1 实时数据显示

在网页控制页面中可完成对实时数据的显示。整个页面和数据库的控制通过servlet 技术进行连接，发送指令public void deGet（）函数来进行数据库的读取，利用HttpServletRequest 类中的封装方法进行页面元素的调用，由于整个监控过程需要实时的显示当前温湿度的值，所以采用out.print（rs.get-String（“value”））等函数直接显示温湿度，运行过程如图6所示。

图6 实时数据显示程序控制框图Fig.6 Control block diagram of real-time data display program

3.2.2 动态折线图显示

试验人员需要根据观察恒温恒湿箱的温湿度的变化规律以及对应参数的变化趋势去判断设备是否工作在稳定的状态，需要在网页中动态显示相关数据参数折线图。在java 文件中进行数据类的编写，同时进行数据库的连接，通过HttpServletRequest类发送控制指令，使网页端进行ajax 技术，对数据库里存储的数据进行异步调用，同时使用Echart 技术完成数据的可视化操作，把数据以折线图的形式显示到网页界面中，整个页面的显示过程如图7所示。

图7 温湿度折线图显示程序控制框图Fig.7 Temperature and humidity line diagram shows the program control block diagram

4 物联网平台设计

物联网平台购买的是华为云服务器，在服务器中搭建Linux 系统，完成C 语言、JAVA 语言和数据库等环境配置，支持NB-IoT 无线传输设备入网，在服务器中完成端口配置，进行无线数据传输。在该系统中，物联网终端可以分为3 个部分：华为云服务器、应用层和边缘设备，如图8所示。通过登录华为云服务器，运行相应的环境配置，与NB 模块的连接，实现STM32F103 芯片控制通信模块与服务器的数据传输，通过MQTT 消息传输协议，进行数据的上传并显示，同时可以在服务器中通过执行指令，检测到NB 模块的运行情况和状态。

图8 物联网平台终端的设计Fig.8 Design of IoT platform terminal

华为云服务器：是一个虚拟服务器，不再受限于地理位置上的限制，实现了CPU，内存和I/O 接口等硬件的动态管理服务，简化了系统的管理，提高了资源利用率。

应用层：可通过在华为云服务器上部署连接自己的应用服务，通过网页端实时显示上传的数据。

边缘设备：NB 通信模块将硬件终端采集到的数据传输到服务器中，实现了硬件终端和软件终端的联系[3]。

5 数据链路设计

通过NB-IoT 通信技术把数据从终端设备传输到服务器中会经过6 个部分。从终端设备发送数据，依次经过了基站、核心网、云平台，最后达到了服务器中[4]。当恒温恒湿试验箱采集到相应的参数变化值时，可以通过NB-IoT 无线传输模块把数据传输到云端，完成数据存储。NB-IoT 技术不需要接入网关，每一个设备都可以直接接入NB 网络，即可与控制平台通信，NB-IoT 技术数据传输流程如图9所示。

图9 NB-IoT 技术数据传输框图Fig.9 Data transmission block diagram of NB-IoT technology

5.1 上行数据传输

恒温恒湿试验箱在运行过程中，试验人员需要及时的检测该设备的运行状态，需要对数据进行实时的传输。在硬件终端中利用Keil uVision5 软件编写C 程序控制NB-IoT 模块进行数据的无线传输，处理由传感器采集的数据。

BC28 模块与服务器平台进行通信时，需要进行地址访问和协议端口号的确定。在数据传输过程中，采用消息队列遥测传输协议（message queuing telemetry transport，MQTT）与平台进行通信。MQTT协议若是传输二进制类型的数据，需要在服务器中配置编解码插件，完成数据类型的相互转换，上行数据传输过程如图10所示。

图10 上行数据传输框图Fig.10 Block diagram of uplink data transmission

5.2 下行数据传输

当恒温恒湿试验箱设备出现故障时，需要进行远程控制完成控制指令的传输。在网页端下发控制指令，下行消息传输至云平台，由编解码插件把下发的消息智能转化为二进制数，根据MQTT 协议由BC 模块接收指令，向设备终端发布控制信号，由终端设备订阅控制信息，如图11所示，完成下行数据的传输。

图11 下行数据传输框图Fig.11 Downlink data transmission block diagram

6 测试结果及分析

基于物联网的恒温恒湿箱的远程监控系统的设计，主要目的是为了实现数据的远距离传输和远程控制。通过以上的设计可以完成在网页端对数据的远距离传输的查看和设备的远程控制，如图12和图13所示。通过查看相应的折线图，根据对应的温湿度可以查看到相应的参数值，试验人员可以根据参数走向判断试验箱的工作状态是否稳定，完成相应的远程控制。

在折线图中，可以判断恒温恒湿试验箱在工作时对温湿度的调整是否精确，根据对应偏差、偏差变化率以及增加量的变化，判断温湿度在调整过程中的波动问题，从图中可以看出，试验箱在随着时间变化的过程中，各相关参数逐渐趋于0，温湿度的值也逐渐稳定的达到设定状态。

图12 温度及其相关参数变化折线图Fig.12 Line chart of temperature and related parameter changes

图13 湿度及其相关参数变化折线图Fig.13 Line chart humidity and related parameter changes

7 结语

通过对恒温恒湿试验箱的远程调试，可以实时在软件终端查看到相应的数据及其相关参数的变化情况，动态的检测恒温恒湿箱的运行环境，在满足传统的温湿度控制要求的条件下，物联网的控制为恒温恒湿箱设备的运行节省了人力和物力，在短时间内能够迅速的查看到恒温恒湿箱的工作状态，及时做出调整和管理。运用在工业系统中，极大的简化了试验人员的办公条件，操作方便[5]。