基于IOT技術(shù)的智能香薰控制系統(tǒng)

黃萍萍，羅清雄，鄭月瀅，倪偉傳，萬(wàn)智萍

（中山大學(xué)新華學(xué)院，廣州 510520）

0 引言

在物聯(lián)網(wǎng)[7]快速發(fā)展的情況下，在越來(lái)越多的領(lǐng)域中應(yīng)用智能化[1,3]的手段來(lái)解決問(wèn)題。香薰機(jī)是通過(guò)散發(fā)出來(lái)的活氧負(fù)離子，與空氣中有害的氣體分子產(chǎn)生強(qiáng)力反應(yīng)、綜合清除，已達(dá)到凈化空氣的作用，也可以讓室內(nèi)空氣變得清新些，使得環(huán)境空間中更加適宜。目前，香薰機(jī)的控制大多數(shù)處于依靠手動(dòng)調(diào)節(jié)的狀態(tài)，而且空間環(huán)境中的溫濕度調(diào)節(jié)往往被忽略。在市場(chǎng)中，有極少部分香薰機(jī)利用語(yǔ)音進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，但該遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中僅僅完成了遠(yuǎn)程控制，未考慮對(duì)實(shí)際環(huán)境空間的影響，并沒(méi)有設(shè)計(jì)出智能調(diào)控的軟硬件協(xié)作系統(tǒng)。

因此，我們此研究項(xiàng)目是基于IOT技術(shù)[2,5,14]的智能香薰控制系統(tǒng)，增加了時(shí)間、溫濕度的顯示，使得用戶可通過(guò)OLED的顯示來(lái)操控香薰機(jī)。利用LED三色光來(lái)顯示香薰機(jī)散發(fā)的強(qiáng)弱狀態(tài)，更好地智能控制香薰機(jī)使其運(yùn)作。本系統(tǒng)以STM32F107為核心控制器，可根據(jù)需要連接多個(gè)傳感器模塊，實(shí)時(shí)的對(duì)環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，使用戶可以在移動(dòng)客戶端上詳細(xì)了解到溫濕度的具體情況且可根據(jù)不同的需要進(jìn)行控制智能香薰機(jī)，操作簡(jiǎn)單、智能調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)。

1 整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)主要包括硬件系統(tǒng)模塊、軟件系統(tǒng)模塊、客戶端智能控制模塊三大核心模塊。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

硬件系統(tǒng)模塊：系統(tǒng)將DHT11數(shù)字溫濕度傳感器、DS3231、OLED顯示屏模塊等接入到STM32F107VC主板通過(guò)ESP-8266WIFI模塊[4,6,8]接入云服務(wù)器，把各傳感器的數(shù)據(jù)傳給指定云服務(wù)器，數(shù)據(jù)將存入云服務(wù)器后臺(tái)的MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)從數(shù)據(jù)庫(kù)提取出各個(gè)傳感器的值，利用HelloChart繪制出溫濕度曲線圖，用戶可通過(guò)登錄APP端實(shí)現(xiàn)查看所屬空間的溫濕度的情況,

為了保持無(wú)線模塊的穩(wěn)定性以及通信的安全性，本系統(tǒng)采用性能穩(wěn)定的ESP-8266模塊采用AP模式，該模塊加密類型有：WEP64/WEP128/TKIP/AES，通過(guò)路由器訪問(wèn)云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞，安全性高且穩(wěn)定性好。

軟件系統(tǒng)模塊：用戶可通過(guò)登錄手機(jī)APP點(diǎn)擊控制按鈕，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將控制指令發(fā)送服務(wù)器，STM32F107VC控制板從服務(wù)器獲取指令對(duì)香薰機(jī)進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。根據(jù)數(shù)據(jù)的反映進(jìn)行合理的強(qiáng)弱控制，利用LED燈來(lái)顯示香薰機(jī)散發(fā)強(qiáng)弱。根據(jù)溫濕度的反映設(shè)置定時(shí)器，通過(guò)設(shè)置定時(shí)器控制香薰機(jī)的開關(guān)，避免香薰的浪費(fèi)以及使用，也進(jìn)一步避免香薰機(jī)因運(yùn)作過(guò)長(zhǎng)而散發(fā)有害物質(zhì)。

客戶端智能控制模塊[11～13,15]：用戶利用APP移動(dòng)端可方便快捷查看所屬空間溫濕度的變化，當(dāng)溫濕度的值超過(guò)最適宜的值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)按所設(shè)定的策略執(zhí)行以及對(duì)香薰機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)主要由多模塊形式構(gòu)成，利用不同功能模塊組成，有效降低了系統(tǒng)的構(gòu)造成本，優(yōu)化了系統(tǒng)的總體性能。系統(tǒng)主要由DHT11數(shù)字溫濕度傳感器、時(shí)鐘信號(hào)、OLED顯示屏、LED等模塊組成，以STM32F107VC作為主控芯片，溫濕度傳感器所采集環(huán)境空間中的數(shù)據(jù)信息交由給主控芯片進(jìn)行優(yōu)化處理，實(shí)現(xiàn)與APP移動(dòng)端[9,10]的控制平臺(tái)溫濕度數(shù)據(jù)展示以及對(duì)香薰機(jī)的智能調(diào)控等；數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)ESP-8266 WIFI模塊進(jìn)行無(wú)線收發(fā)，實(shí)現(xiàn)與APP移動(dòng)端之間的命令和溫濕度數(shù)據(jù)信息的無(wú)線傳輸；APP移動(dòng)端的控制平臺(tái)主要對(duì)接收到的溫濕度數(shù)據(jù)曲線展示和對(duì)香薰機(jī)的遠(yuǎn)程調(diào)控。

當(dāng)主控芯片接收來(lái)自云端的命令指令對(duì)香薰機(jī)進(jìn)行智能調(diào)控時(shí)，對(duì)主控芯片發(fā)送控制的格式為：

2.1 溫濕度數(shù)據(jù)采集

溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊是由DHT11數(shù)字溫濕度傳感器和STM32F107VC主板構(gòu)成，DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一個(gè)校準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)輸出復(fù)合型傳感器，可同時(shí)檢測(cè)環(huán)境空間中溫度和濕度，測(cè)量范圍攝氏度溫度為0～50℃，相對(duì)濕度為20%～90%RH。系統(tǒng)通過(guò)DHT11數(shù)字溫濕度傳感器對(duì)環(huán)境空間中的溫濕度情況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將采集到數(shù)據(jù)通過(guò)ESP-8266WIFI模塊傳輸至云端保存并處理數(shù)據(jù)。OLED顯示屏中實(shí)時(shí)反映了溫濕度的數(shù)值。

2.2 核心控制器

根據(jù)整體系統(tǒng)以及功能的需求，本系統(tǒng)采用以8051為內(nèi)核單時(shí)鐘/機(jī)器周期的STM32F107VC的單片機(jī)作為硬件核心控制器。因?yàn)樵搯纹瑱C(jī)有集成SRAM、FLASH、計(jì)時(shí)器/定時(shí)器、I/O接口、SPI、12位A/D轉(zhuǎn)換、看門狗以及串口在線編程等外圍模塊。包含了數(shù)據(jù)采集和OLED顯示以及其他控制功能模塊，滿足了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體要求。

圖2 STM32F10VC原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中采用無(wú)線傳輸方式將所采集的參數(shù)傳輸至APP移動(dòng)端。無(wú)線WIFI模塊有多種工作模式，在系統(tǒng)中采用AP模式下，首先對(duì)ESP-8266無(wú)線WIFI模塊進(jìn)行初始化設(shè)置，根據(jù)無(wú)線傳輸通訊協(xié)議，從主控芯片的串口給無(wú)線WIFI模塊發(fā)送AT指令，完成初始化指令等。將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)ESP-8266無(wú)線WIFI模塊傳輸至指定的服務(wù)器，后端服務(wù)接收到來(lái)自ESP-8266WIFI模塊透?jìng)鞯臄?shù)據(jù)。通過(guò)數(shù)據(jù)分析處理，將處理后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中。用戶通過(guò)訪問(wèn)APP移動(dòng)端可詳細(xì)了解任意時(shí)刻溫濕度的數(shù)值，且可對(duì)香薰機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3.1 APP應(yīng)用程序具有的功能

用戶在APP上可以在首頁(yè)查看溫濕度的曲線圖，查看即時(shí)數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)，在遠(yuǎn)端進(jìn)行控制，還可以瀏覽一下生活資訊，APP移動(dòng)端具有較完善的功能，主要由溫濕度數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程調(diào)控、生活資訊構(gòu)成，且頁(yè)面友好，方便操作。

3.2 APP控制過(guò)程

用戶通過(guò)登錄手機(jī)APP端查看溫濕度數(shù)據(jù)變化，當(dāng)溫濕度超過(guò)最適宜時(shí)，可通過(guò)APP設(shè)定所需操作，來(lái)控制香薰機(jī)，為我們所需的適宜環(huán)境進(jìn)行設(shè)置，為避免香薰機(jī)運(yùn)作過(guò)長(zhǎng)而散發(fā)的有害物質(zhì)，通過(guò)設(shè)置定時(shí)器，當(dāng)達(dá)到所設(shè)置的時(shí)間時(shí)，香薰機(jī)可自動(dòng)關(guān)閉運(yùn)作系統(tǒng)。

圖3 APP控制過(guò)程

智能調(diào)控的香薰機(jī)，在移動(dòng)端APP設(shè)置了“大中小”的按鈕控制，調(diào)節(jié)香薰機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)香薰機(jī)發(fā)送“大中小”控制的格式為：

當(dāng)查看溫濕度數(shù)值曲線，溫濕度出現(xiàn)較大偏大時(shí)，可通過(guò)遠(yuǎn)程智能調(diào)控對(duì)香薰機(jī)進(jìn)行控制。利用定時(shí)功能對(duì)其進(jìn)行操控，對(duì)香薰機(jī)發(fā)送定時(shí)控制。

4 系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

整體系統(tǒng)構(gòu)建完成后，為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可實(shí)現(xiàn)性以及性能優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行了系統(tǒng)的測(cè)試。本文在選定不同環(huán)境空間中放置數(shù)據(jù)采集的設(shè)備，有針對(duì)性的對(duì)環(huán)境的溫度與濕度進(jìn)行采集，實(shí)時(shí)反饋于用戶端，并根據(jù)其助眠效果進(jìn)行分組測(cè)驗(yàn)，其結(jié)果如圖4所示。

圖4 智能香薰控制系統(tǒng)實(shí)物圖

圖4為本系統(tǒng)的實(shí)物圖，通過(guò)DHT11數(shù)字溫濕度傳感器與主控制器等設(shè)備保證在同一WIFI熱點(diǎn)覆蓋區(qū)域內(nèi)，才能保證所采集的數(shù)據(jù)能正常傳輸至云端。將傳感器采集到環(huán)境空間中溫濕度的數(shù)據(jù)，進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理，在APP中顯示溫濕度的具體數(shù)值以及某個(gè)時(shí)間段內(nèi)溫濕度變化的曲線，如圖5所示。用戶可通過(guò)登錄APP對(duì)香薰機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控，可定時(shí)控制，調(diào)節(jié)開啟大小等操作。

圖5 溫濕度的曲線及控制

香薰機(jī)可以利用多種方式將水和純植物精油霧化，使得室內(nèi)保持一定的濕度。助眠效果良好，可輔助治療和緩解流感、氣管炎等疾病，并對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)和人體的新陳代謝起到一定的保護(hù)作用。對(duì)比使用香薰機(jī)入睡時(shí)間前后：純植物精油香薰對(duì)縮短入睡困難失眠者的入睡時(shí)間有明顯的效果，且可智能調(diào)控香薰機(jī)的使用，方便簡(jiǎn)潔。

表1 失眠患者治療入睡時(shí)間縮短情況

通過(guò)觀察10組數(shù)據(jù)可以看到，2例在使用純植物精油香薰前后入睡時(shí)間均小于30min，無(wú)入睡困難狀況，故不在此次測(cè)試范圍內(nèi)。8例入睡困難者中，4例使用純植物精油香薰后入睡時(shí)間顯著減少，相比較于使用前減少大于80%，3例使用純植物精油香薰后入睡時(shí)間相較于使用前大于50%，1例使用純植物精油香薰后相較于之前無(wú)效。根據(jù)療效標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到療效顯著有4例，達(dá)到有效療效有3例，無(wú)效1例，總有效率為87.5%。

5 結(jié)束語(yǔ)

本作品從生活實(shí)際出發(fā)，實(shí)用性強(qiáng)。且與市場(chǎng)上的香薰機(jī)相比，本系統(tǒng)在監(jiān)控上更加精確實(shí)且具有定時(shí)功能及智能調(diào)節(jié)開啟大小，用戶只需要在手機(jī)安裝對(duì)應(yīng)的客戶端即可溫濕度的數(shù)據(jù)曲線，根據(jù)溫濕度的曲線進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。智能化調(diào)控的香薰機(jī)，使得空間環(huán)境狀態(tài)達(dá)到最佳，且助眠效果良好，可輔助治療和緩解流感、氣管炎等疾病，并對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)和人體的新陳代謝起到一定的保護(hù)作用，提高生活質(zhì)量，保障生活的品質(zhì)。