基于物聯(lián)網(wǎng)的智能溫濕保養(yǎng)箱設計

劉煒杰 郭磊 梁燦強 佘偉偉 黃振興

摘? 要：在目前市場上，針對西方樂器設計的保養(yǎng)箱比比皆是，而專門為中國傳統(tǒng)樂器制造的保養(yǎng)箱卻寥寥無幾，已經(jīng)無法滿足人們對保養(yǎng)中國傳統(tǒng)樂器的需求。針對這一現(xiàn)狀，文章以STC89C52為主控芯片，基于物聯(lián)網(wǎng)設計APP，通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設定，以及不同模式、不同樂器的選擇，設計出智能溫濕保養(yǎng)箱，實現(xiàn)了對古箏、古琴以及二胡的智能溫濕度調(diào)節(jié)。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);智能;智能溫濕保養(yǎng)箱

中圖分類號：TN929.5? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2022）04-0174-04

Design on Intelligent Temperature and Humidity Maintenance Box Based on Internet of Things

LIU Weijie， GUO Lei， LIANG Canqiang， SHE Weiwei， HUANG Zhenxing

（Guangdong Ocean University， Zhanjiang? 524088， China）

Abstract： In the present market， there are many maintenance boxes designed for western musical instruments， but there are very few maintenance boxes specially made for traditional Chinese musical instruments， which can not meet people’s demand for the maintenance of traditional Chinese musical instruments. In view of this situation， this paper takes STC89C52 as the main control chip， based on the Internet of Things design APP， through the setting of the adjustment system， as well as the choice of different modes and different musical instruments， designs intelligent temperature and humidity maintenance boxes， and realizes the intelligent temperature and humidity regulation of Guzheng， Guqin and Erhu.

Keywords： Internet of Things; intelligence; intelligent temperature and humidity maintenance box

0? 引? 言

隨著我國經(jīng)濟不斷發(fā)展，人們已經(jīng)不滿足于基本的物質(zhì)生活，大多數(shù)人開始追求精神上的滿足。同時，我國的傳統(tǒng)樂器、詞曲處處彰顯著傳統(tǒng)文化藝術的張力，是傳統(tǒng)文化不可多得的藝術瑰寶[1]。傳統(tǒng)樂器被越來越多的人所知曉，越來越多的人開始學習中國傳統(tǒng)樂器，比如古箏、古琴、二胡等。大部分中國傳統(tǒng)樂器都是由木材制作的，所以樂器本身對木質(zhì)要求較高，需要對其溫度以及濕度加以調(diào)控以保證其音質(zhì)以及使用壽命。然而，在如今市場上，對于西方樂器的除濕箱數(shù)不勝數(shù)，但專門針對中國傳統(tǒng)樂器的溫度濕度調(diào)控箱則少之又少。針對傳統(tǒng)樂器，市場上主要還是以人工除濕為主，但是人工除濕沒有辦法控制除濕質(zhì)量，不夠可控。同時，沒有辦法在樂器主人不在家的時候進行除濕等工作。若是能夠在樂器使用者不在家的時候進行對箱內(nèi)的溫度以及濕度進行遠程監(jiān)控，還能夠切換各種各樣的模式，那么更加能夠方便樂器的使用者進行使用。針對傳統(tǒng)樂器的溫度以及濕度的調(diào)控設計一個智能溫濕度保養(yǎng)箱，成為保證樂器音質(zhì)、延長傳統(tǒng)樂器使用壽命以及方便樂器使用者使用的迫切需求。

1? 智能溫濕保養(yǎng)箱的總體設計方案

1.1? 功能描述

智能溫濕保養(yǎng)箱主要應用于古箏、古琴、二胡等傳統(tǒng)樂器的保養(yǎng)，使得溫濕度完全可控。并且基于物聯(lián)網(wǎng)，樂器使用者對于保養(yǎng)箱的溫濕度的操控能夠?qū)崿F(xiàn)遠程操控，即使使用者出門在外，也可以對保養(yǎng)箱內(nèi)部環(huán)境的進行監(jiān)控，方便樂器使用者的使用。樂器使用者能夠通過對保養(yǎng)箱內(nèi)部設定的溫濕度，在智能調(diào)控下，使樂器處于最適宜的溫濕度環(huán)境，從而使樂器到達最佳的保養(yǎng)效果。就能夠讓樂器在適宜的溫度以及適宜濕度保養(yǎng)下發(fā)出更優(yōu)良的音質(zhì)，演奏出更加動聽的樂曲，同時大大地延長了樂器的使用壽命。

1.2? 總體設計方案

智能溫濕保養(yǎng)箱由保養(yǎng)箱、功率電源、控制主板三大部分組成，由于STC89C52低功耗，高性能[2]，所以選擇STC89C52為主控芯片，DT11溫濕度傳感器獲取箱子內(nèi)部的實時溫濕度，128×64 OLED顯示屏顯示溫濕度，ESP8266 Wi-Fi模塊聯(lián)網(wǎng)，其連接MQTT服務器實現(xiàn)遠程操控，繼電器模塊控制著除濕器、加熱器、加濕器的開關。保養(yǎng)箱為20 cm×20 cm×60 cm亞克力材質(zhì)制作的箱子，其內(nèi)部放置有一個42 cm×11 cm×8 cm的古箏模型。主控芯片將溫濕度數(shù)據(jù)上傳到MQTT服務器，由于MQTT協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸中傳遞的數(shù)據(jù)量小[3]，通過接收MQTT服務器返回對設定數(shù)據(jù)與實際溫濕度作對比，從而讓繼電器控制相應的器件工作。以下為設計方案具體流程：

在DT11溫濕度傳感器獲取實時溫濕度給主控芯片后，主控芯片通過數(shù)據(jù)處理后，通過串口中斷將溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)送給Wi-Fi模塊，Wi-Fi模塊則將數(shù)據(jù)上傳到MQTT服務器，最后手機APP獲取Wi-Fi模塊在MQTT服務器發(fā)布的溫濕度信息并在實手機界面顯示溫濕度數(shù)據(jù);同樣手機APP上傳設定的溫濕度等數(shù)據(jù)到MQTT服務器，Wi-Fi模塊通過獲取手機APP在MQTT服務器上發(fā)布設定的溫濕度數(shù)據(jù)通過串口接收傳達到主控芯片，主控芯片作溫濕度對比，若設定溫度大于實際溫度，則主控芯片主控加熱器工作，若設定濕度小于實際溫濕度，則除濕器工作，等等。具體功能流程如圖1所示。

2? 保養(yǎng)箱的設計

保養(yǎng)箱為20 cm×20 cm×60 cm亞克力材質(zhì)制作的箱子，頂部便捷式翻蓋設計，密封性較好，使得樂器在溫濕度調(diào)節(jié)時不容易受外部因素影響。其內(nèi)部放置有一個42 cm 11 cm×8 cm的古箏模型、一個DT11溫濕度傳感器、一個加濕器、一個加熱器、一個除濕器并具有降溫作用和一條LED燈條。DT11溫濕度傳感器放在古箏模型出聲孔處監(jiān)控其溫濕度，樂器出聲孔的保養(yǎng)對樂器的出音效果尤其重要。除濕器則鑲嵌在保溫箱的一側壁上，其具有降溫除濕的效果，其核心使用半導體TEC1-12705制冷片，其大風扇一側為半導體制冷片散熱，小風扇一側為制冷端，通過對氣體的冷卻液化，提供對箱子里得降溫和除濕功能;加濕器放在另一側，加濕器以霧化器模塊工作，加上小風扇對霧化氣體驅(qū)動能快速達到設定濕度;加熱器由PTC加熱電板、散熱片及小風扇組成，其放置在箱子中間，工作是小風扇將加熱氣體通過散熱片向兩邊擴散，溫和的達到升溫效果，同時也具有一點除濕效果;LED燈條是提供照明作用，可通過手機APP控制其開關。保養(yǎng)箱如圖2所示。

3? 調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設計

本溫濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要針對中國傳統(tǒng)樂器古箏、古琴、二胡這三種進行設計。系統(tǒng)涵蓋有兩大模塊，分別是數(shù)據(jù)顯示模塊和控制模塊。數(shù)據(jù)顯示模塊會將樂器所在環(huán)境的設備上傳之后的當前溫度、當前濕度、當前模式狀態(tài)、LED狀態(tài)、設定溫度和設定濕度的數(shù)據(jù)顯示在界面上，使得使用者知曉保養(yǎng)箱內(nèi)部環(huán)境?？刂颇K又分為自動模式和手動模式，主要是改變設備的運行模式和LED燈的開關，具有改變設備溫度、濕度和LED的開關的功能。

數(shù)據(jù)顯示模塊又分為四個模塊，即溫濕度顯示、設備連接狀態(tài)、當前樂器、LED狀態(tài)指示燈。打開軟件后可以看到連接狀態(tài)從未連接變?yōu)橐堰B接，并將樂器所在環(huán)境的溫度和濕度顯示出來。LED開關可控制設備的LED燈。

控制模塊又分為自動模式和手動模式。在自動模式下，界面會有“改變溫度”和“改變濕度”的按鈕，點擊后會分別出現(xiàn)相應的界面，同時提示你輸入數(shù)值，點擊后，界面的“設定溫度”和“設定濕度”這兩項將分別顯示所輸入的值，保存樂器的設備會將溫度和濕度調(diào)至所設定的值，每隔3秒將樂器當前的濕度和溫度返回。打開自動模式后，系統(tǒng)會提示選擇樂器，選擇了樂器后，由于自動模式下的設定溫度和設定濕度的值為所選擇樂器的最佳保存溫濕度。系統(tǒng)會自動將保存樂器的設備調(diào)至所選樂器的最佳保存溫濕度，例如，古箏最佳的溫濕度為22 ℃，最佳濕度為55%;古琴最佳溫度為23 ℃，最佳濕度：45%;二胡最佳溫度為22 ℃，最佳濕度為60%。那么，如果在自動模式中選擇古箏，溫度將自動調(diào)至22 ℃，濕度調(diào)至55%。如果在自動模式選定古琴，溫度將自動調(diào)至23 ℃，濕度調(diào)至45%。

在手動模式狀態(tài)下（即自動模式開關關閉狀態(tài)下），則可以自動選定需要的溫濕度，使得軟件能夠按照使用者的選定進行調(diào)節(jié)。

4? 控制主板的設計

控制主板由STC89C52單片機芯片、0.96寸128×64 OLED顯示屏、DT11溫濕度傳感器、繼電器模塊、ESP8266 Wi-Fi模塊、電壓轉換模塊、輔助顯示的LED燈（及100 W功率電源）組成。

主板芯片功能是獲取傳感器的實時溫濕度：通過對傳感器的充放電來獲取傳感器對主板芯片發(fā)送的8位數(shù)據(jù)，并通過移位算法，數(shù)據(jù)變換，從而獲得較為精準的溫濕度數(shù)據(jù);然后，由于IIC消耗系統(tǒng)資源最少[4]，則以IIC協(xié)議在OLED屏幕上顯示實時的溫濕度數(shù)據(jù);控制繼電器模塊連通功率電源對加熱器、除濕器等模塊的工作;除此之外，控制主板和手機APP設計有手動設置和自動設置溫濕度模式：自動模式下，輔助顯示LED燈為藍色，手動模式則為紅色，OLED顯示屏也會顯示對應的模式下的樂器名稱，提供了便捷性功能。ESP8266 Wi-Fi模塊能夠?qū)崿F(xiàn)串口與Wi-Fi之間的轉換[5]，則使用ESP8266 Wi-Fi模塊與控制主板通過串行口通信，電壓轉換模塊給Wi-Fi模塊供電。

ESP8266 Wi-Fi模塊與MQTT服務器的連接，MQTT服務器為阿里云端通過的服務器，Wi-Fi模塊連接MQTT服務器可以對進行訂閱主題、發(fā)布信息等操作，從而與同樣進行訂閱發(fā)布信息等操作的手機APP端進行數(shù)據(jù)通信。ESP8266 Wi-Fi模塊以“AT指令”為基礎，燒錄了AT+MQTT固件來與MQTT服務器的連接，主控芯片通過串口通信發(fā)送“AT”指令控制ESP8266 Wi-Fi模塊的工作模式為station（客戶端模式），接入是可連接路由器或手機熱點實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，并以AT+MQTT固件指令配置好MQTT服務器客戶端信息及連接MQTT服務器，最后基于MQTT的訂閱主題、發(fā)布信息協(xié)議來訂閱手機APP端的主題便可接收到手機發(fā)布設定溫濕度等信息，同樣手機APP也訂閱ESP8266 Wi-Fi模塊的主題便可接收到ESP8266 Wi-Fi模塊發(fā)布實時溫濕度信息。主控芯片通過串口接收到APP發(fā)布的信息進行數(shù)據(jù)解析，就可以實現(xiàn)手機APP與主控芯片的信息互通，從而完成遠程智能溫濕度控制功能。

5? 功能測試

智能溫濕保養(yǎng)箱初始化后，ESP8266 Wi-Fi模塊連接上了手機熱點后并發(fā)布實時溫濕度信息，同時OLED屏幕也顯示箱內(nèi)實時溫濕度信息，樂器名稱顯示默認為“古箏”，打開手機APP接收到主控板上傳的實時溫濕度信息，通過手機APP設定的自動模式下，藍色LED燈亮起，OLED也顯示了對應的樂器模式的名稱，測試時溫度較低，濕度較高，加熱器與除濕器開始了工作;最后將模式調(diào)到手動模式，調(diào)到人工的設定的溫濕度，在加熱器與除濕器工作一段時間后便達到了設定的溫濕度。

由圖3可知，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能溫濕保養(yǎng)箱在不同模式下能夠設定不同的模式，實現(xiàn)了傳統(tǒng)樂器的養(yǎng)護。

6? 結? 論

隨著科學技術的發(fā)展，人工對古箏等傳統(tǒng)樂器進行養(yǎng)護已經(jīng)遠遠不能滿足人們的需求，需要使用更加智能的溫濕度保養(yǎng)箱調(diào)節(jié)樂器的溫度以及濕度。但是針對傳統(tǒng)樂器的溫濕度保養(yǎng)箱在市場上的普及程度非常低?；谖锫?lián)網(wǎng)的智能溫濕保養(yǎng)箱以STC89C52為主控芯片，通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設定，通過不同模式，不同樂器的選擇，實現(xiàn)了對古箏、古琴以及二胡的智能溫濕度調(diào)節(jié)，更好地對傳統(tǒng)樂器進行養(yǎng)護，更好地保證樂器本有的音質(zhì)，延長樂器的使用壽命。同時，全球開始逐漸演化為一個龐大的智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。為順應物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的潮流，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能溫濕保養(yǎng)箱能夠?qū)崿F(xiàn)遠程自動調(diào)溫調(diào)濕，更加安全可靠，顯示直觀，減少人為干預所產(chǎn)生的時間，在一定程度上節(jié)約了時間。通過遠程控制，更加方便生活。

參考文獻：

[1] 楊睿一.古箏教學中滲透文化藝術實踐研究 [J].文化產(chǎn)業(yè)，2022（5）：43-45.

[2] 喬琳君，魏嚴鋒.基于STC89C52單片機的自動換氣扇系統(tǒng)設計 [J].電子設計工程，2021，29（8）：173-176+181.

[3] 陳洵.基于MQTT的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)管理平臺的設計與實現(xiàn) [D].保定：河北農(nóng)業(yè)大學，2021.

[4] 葉坤濤，殷超，吉俄木沙，等.IIC總線IP核的改進研究 [J].電子器件，2020，43（3）：628-634.

[5] 張琥石，林偉龍，鄧日練，等.基于ESP8266 Wi-Fi模塊的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)控直流電壓源的設計 [J].現(xiàn)代電子技術，2019，42（20）：33-36.

作者簡介：劉煒杰（2000—），男，漢族，廣東江門人，本科在讀，研究方向：軟件設計;通訊作者：郭磊（1982—），男，漢族，黑龍江哈爾濱人，講師，博士，研究方向：圖像處理與機器視覺;梁燦強（1999—），男，漢族，廣東肇慶人，本科在讀，研究方向：硬件設計;佘偉偉（2002—），男，漢族，安徽蕪湖人，本科在讀，研究方向：機器視覺;黃振興（1998—），男，漢族，廣東廉江人，本科在讀，研究方向：機器視覺。