基于STM32 的高校电气实验室温湿度监测系统设计

马博经，张慧玲，俞丙威，王宇霄，包子洪，张艺越，金万荣

（浙江广厦建设职业技术大学 智能制造学院，浙江东阳，322100）

0 引言

高校电气实验室作为培养电气工程师的重要场所，在现代教育体系中具有不可忽视的地位。随着科技的不断进步，现代电气实验室正朝着智能化、模块化、网络化、安全性等方向快速发展，以满足科研和工业发展的需求，并为学生和工作人员提供更高效、更安全、更开放的实验环境和条件[1～2]。然而，实验室中常常面临着温湿度等环境因素对设备稳定性和学生实验体验的影响。尤其是电气设备对温湿度的敏感性，可能导致设备性能的下降和实验数据的偏差。甚至存在实验室安全隐患难以及时发现的情况，如火灾、漏水等，如果不能及时发现和处理，必将会对实验室的安全造成威胁[3]。

传统电气实验室管理效率低下，实验室管理员需要定期巡检实验室，记录温湿度等数据，工作量大且繁琐。而且数据无法实时获取，缺乏数据共享和分析的能力，无法满足现代实验室的高效运行和安全管理需求。

当前，虽然已有温湿度监测系统在医学、生物、农业、测量等实验室环境中广泛应用[4～6]，但仍存在实时性不高，网络平台开发难度大成本高，数据查看不便等问题。本文设计了一种高效可靠的高校电气实验室温湿度监测系统，以满足电气实验室温湿度环境监测的需求。该系统能够实时监测电气实验室的温湿度变化，并将数据精确及时传递给实验室管理人员，以确保设备的稳定运行和学生的安全实验。

1 系统总体设计

本系统采用STM32F103C8T6 微控制器作为核心控制芯片，DHT11 作为温湿度数据采集模块，对高校内电气实验室环境的温湿度状况进行实时采集。ESP8266 作为WiFi传输模块，温湿度传感器采集到的数据经STM32 处理后通过无线传输的方式上传到OneNET 服务器，同时OLED 显示模块可以对温湿度数据进行实时显示。

OneNET 是中移物联网公司推出的免费物联网开放云平台，传感器以及各种终端设备可以通过平台提供的API 接口和应用模板实现快速联网，用户也可通过该平台处理、分析和存储实验数据。本系统使用OneNet 开放平台展示数据，可以显著节省开发服务器和平台所需的时间和成本。此外，该平台还具有数据存储能力强、可视化效果好的优点，能够满足系统对数据展示和存储的要求。在OneNET 云平台上可对数据进行云存储以及可视化展示，机房管理员可通过手机APP 端和Web 端随时查看当前温湿度状况。当温湿度数据超过设定阈值时，系统会通过邮箱以及微信推送的方式向机房管理员发送报警信息，以便及时采取措施。系统框图如图1 所示。

图1 系统总体框图

2 硬件设计

本系统的硬件设计主要包括电源电路、微控制器模块、WiFi 无线传输模块、温湿度传感器模块、OLED 显示模块等外围电路的设计与连接。DHT11 传感器通过GPIO 口连接到STM32 微控制器，ESP8266 模块通过UART 串口与STM32通信，OLED 显示模块则通过I2C 总线与STM32 连接。

■2.1 电源电路

在设计电源电路时，考虑到了该温湿度在线监测系统的各个单元模块对输入电源的电压级别要求不同，本系统将电源管理电路分为两部分，设计电路图如图2 所示。

图2 电源模块电路图

由于DHT11 温湿度传感器和OLED 显示屏要求输入电源电压为5V，第一步先用LM2596S-ADJ DC-DC 调压芯片将外部输入电源进行一级降压处理。本系统采用12V 直流电压供电。输出电压的计算公式为：

式中：VOUT为芯片输出电压；VREF=1.23V；R1和R2为采样反馈电阻。

当选取R1=1k Ω，R2=3k Ω 时，便可将LM2596 调压芯片输出电压设置为4.92V，可以满足OLED 显示屏和温湿度传感器的电源需求。

本系统中的STM32 微控制器模块和ESP8266 无线传输模块的工作电压均为3.3V，所以第二步再用AMS1117-3.3 芯片将LM2596 调压芯片输出电压进行二级降压降至3.3V 为其供电。

■2.2 微控制器模块

微控制器选用的是STM32F103C8T6 嵌入式微处理器。STM32F103C8T6 微控制器搭载了ARM Cortex-M3 内核，具有较高的计算能力，性能可靠，能够满足系统的实时性要求，适用于对温湿度数据进行处理和控制。它还拥有多个GPIO、UART、I2C 和SPI 接口，这些丰富的接口允许其与DHT11 传感器、ESP8266 WiFi 模块和OLED 显示模块等多个外部设备同时进行稳定的通信。此外，STM32F103C8T6还具有低功耗特性，适合进行长时间运行的监测系统。

■2.3 DHT11 温湿度传感器

本系统选用DHT11 作为温湿度数据采集模块，用于实时采集电气实验室的环境温度和湿度数据。DHT11 传感器采用单一的数字信号线进行连接，这使得其硬件集成变得相对简单。在本系统中，DHT11 的信号线连接到STM32 微控制器的一个PB12 引脚上，用于传输传感器输出的数字信号。此外，DHT11 的供电线和接地线连接到STM32 的相应引脚，以提供传感器所需的电源和地线。接口电路如图3 所示。

图3 DHT11 模块接口电路

DHT11 传感器使用一种简单的单线制数据通信协议，其通信过程包括STM32 向传感器发送请求、传感器采样并返回数据。DHT11 温湿度传感器在成本、功能和易用性之间取得了良好的平衡。虽然它的精度相对较低，但在室内环境监测应用中足够可靠。通过DHT11 的数字信号输出，可以直接与STM32F103C8T6 相连接，无需进行模拟信号转换，简化了数据处理流程。

■2.4 ESP8266WiFi 模块

在本系统中，ESP8266 WiFi 模块通过UART 串口与STM32F103C8T6 微控制器相连接，以实现数据的可靠传输。ESP8266 模块的作用是作为数据传输通道，将采集到的温湿度数据上传到OneNET 服务器，从而实现从实验室环境到云端的温湿度数据传输，使用户能够远程监测实验室的温湿度状况。ESP8266 接口电路设计如图4 所示，TXD（发送数据）引脚连接到STM32 的RXD（接收数据）引脚，以实现STM32 向ESP8266 发送数据。同时，ESP8266 的RXD 引脚与STM32的TXD 引脚相连，以实现ESP8266 向STM32 返回数据。

图4 ESP8266 模块接口电路

■2.5 OLED 显示模块

采用OLED 显示屏作为显示模块，负责在系统中实时显示温湿度数据。OLED 显示模块外围接口电路设计如图5 所示，OLED 显示屏与STM32F103C8T6 微控制器通过I2C 总线进行连接，OLED 的SDA 数据引脚与STM32 的PB15 引脚连接，而SCL 时钟引脚与STM32 的相应PB13引脚连接，以实现双向数据传输。当STM32 从DHT11 传感器采集到温湿度数据后，数据经过处理和解析后，通过I2C 总线与OLED 显示屏进行通信。STM32 将温湿度数据发送给OLED 显示屏，并通过控制OLED 的驱动芯片来显示数据。OLED显示屏使用其内置的显示控制逻辑，将温湿度数据以数字和文本的形式呈现在屏幕上。这样，OLED 显示屏模块就将从DHT11 温湿度传感器采集到的数据以可视化方式直观地呈现给教师、学生以及实验室管理员，为实验室内部的温湿度环境状况提供及时反馈，方便实时监测。

图5 OLED 显示屏模块接口电路

3 软件设计

该监测系统选择了Keil μVision5 作为其嵌入式开发环境，并使用C 语言进行编程。首先进行系统初始化，然后调用GPIO 接口，设置定时器，进行数据采集和处理，响应中断，以及进行UART 串口通讯，依次执行温湿度数据采集、传输、显示等操作。微控制器定期向DHT11 传感器请求温湿度数据，对数据进行校验和滤波处理。采集到的数据传递给OLED 显示，并通过WiFi 模块使用MQTT 协议发送到OneNet 云平台。整个主程序流程是一个持续循环的过程，确保对机房温湿度的实时监测和调控。云平台端使用OneNet 提供的API 接口，实现数据的接收、存储和可视化展示。主程序流程图如图6 所示。

图6 主程序流程图

4 应用效果

根据《电气装置安装工程低压电器施工及验收规范》等相关法条对配电室温度和湿度国家标准做出了规定：配电室标准的温度应保持在-5℃～+40℃，湿度应控制在80%RH 以下。只有保持在标准的范围内，现场的电力机器才能保持良好的运行状态，避免出现故障。所以本文将温度报警阈值设置在40℃，湿度报警阈值设置在80%RH。当电气实验室环境温度超过40℃，或者湿度超过80%RH，将会触发报警。系统会向实验室管理员进行微信推送，实现温湿度异常报警。报警功能界面如图7 所示。

图7 温湿度异常报警推送界面图

经过实际测试，本系统能够稳定地实时监测机房的温度和湿度，并将数据准确地传输到OneNet 云平台。在云平台上，管理员可以随时查看机房环境的变化趋势，及时发现异常情况，实验室温湿度在线监测系统数据可视化界面如图8 所示。一旦温湿度超过设定阈值，系统能够及时通过微信推送向管理员发送报警信息，保障了机房设备的安全运行。

图8 温湿度在线监测系统界面图

5 结论

本文设计了一种基于OneNet 的高校电气实验室温湿度监测系统，通过嵌入式硬件和软件的协同设计，实现了温湿度数据的实时监测、传输和可视化展示。通过应用效果测试，本系统能够准确采集实验室环境温湿度数据并通过OLED 显示器进行稳定显示，用户能够通过OneNET 云平台实时查看温湿度数据，当温湿度环境超过设定阈值能够进行有效报警推送，有效地提高了实验室设备运行效率和保障实验室安全，基本能够满足现代高校电气实验室的温湿度监测需求。该系统为高校机房的设备管理和运行维护提供了有力支持，具有广泛的应用前景。同时，该系统具有低功耗、高性能、易于维护等优点，可以长期稳定运行，具有很高的实用性和推广价值。