基于WSN的卧室智能湿度控制系统设计与实现

肖翔 XIAO Xiang；秦东兴 QIN Dong-xing；王洲 WANG Zhou；黄莉 HUANG Li；

邓彪 DENG Biao；汪洋令 WANG Yang-ling；唐鑫 TANG Xin

（成都信息工程学院控制工程学院，成都 610225）

（Department of Control Engineering，Chengdu University of Information Technology，Chengdu 610225，China）

摘要： 本文设计并实现了一种基于无线传感器网络技术（WSN）的智能湿度控制系统，系统包含六个模块：WSN子节点模块、人机交互模块、主控模块、加湿干燥模块、GSM通信模块、手机系统终端模块。系统实时采集卧室当前湿度信息，并定时通过WSN子节点模块将某段时间的平均湿度数据传递给主控模块，将该数据与预设湿度值对比，若超过阀阈值则通过主控模块启动加湿干燥模块，并为该系统增加系统终端模块，使用者可以通过手机客户端随时查询当前湿度信息并控制加湿与干燥。

Abstract： This paper designs a humidity control system based on Wireless Sensor Network (WSN). The system design is divided into six sub-module implements: wireless sensor node module, human computer interaction part, the main control system, wetting drying module, GSM communication module and mobile phone client module. The system will collect the bedroom real time current humidity information, and transfer average humidity data through the WSN node module in a certain period of time to the master control module. By contrasting the data with preset moisture value, the main control module will startup wetting and drying module if the threshold is exceeded. In addition, mobile phone client is added to the system, which can query the information and control the wetting and drying humidity by the users.

教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 ： WSN；卧室；湿度；智能；模块化

Key words： WSN；bedroom；humidity；intelligent；modularization

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）34-0226-02

基金项目：校级教改项目（No. Y2013065）。

作者简介：肖翔（1992-），男，四川阆中人，本科，班长，研究方向为测控技术与仪器。

0 引言

目前，智能化仪器仪表与无线传感网络的交叉融合在智能家居领域发展迅速。而卧室的湿度在智能卧室系统中是一项重要指标，舒爽宜人的卧室环境需要一个相对稳定且适当的湿度阈值。本文采用了目前先进的电容式相对湿度传感器HS1101，以应用广泛的高性价比STC12系列单片机实现对湿度的采集，以低功耗微控制器MSP430F2616为主控进行智能控制。通过无线模块NRF24L01组网来对系统的下位机传感器节点进行信息交互和控制，灵活性强。同时通过GSM模块使主控与手持机终端互联，操作便捷。系统硬件简单，具有测量精度高、抗干扰性强等优点。

1 系统结构设计

系统总体结构如图1所示，系统以MSP430F2616微控制器为核心，这款单片机有良好的低功耗性能，适宜开发家用电子产品。当系统上电运行后，WSN节点会通过湿度测量模块对当前湿度进行采集，湿度测量模块选用HS1101湿敏电容与NE555构成多谐振荡器，以此将空气湿度变化转变为电容值的变化，单片机通过采集多谐振荡脉冲频率，可得到湿度值。STC12C5A50S2单片机获得湿度值后，通过NRF24L01传递给主控单片机并显示于TFT液晶，用户可通过按键（“加湿开”、“加湿关”、“干燥开”、“干燥关”、“复位”）进行人机交互。湿度数据与预设湿度范围相比较，若超出范围，MCU可通过控制继电器来驱动加湿与抽湿执行机构。此外，主控系统拥有华为GTM900-C GSM通信模块，支持短信查询功能，用户可借由手机软件平台对湿度进行查询与控制现信息的远距离传输与闭环控制。

为满足系统供电需要，选用220V-12V电源适配器进行供电输入，作为加湿器，抽湿器电源；开关集成稳压芯片LM2596输出5V为单片机、NRF24L01模块、TFT液晶逻辑供电；线性稳压元件LM1117稳压输出3.3V为无线主接收模块、TFT液晶背光供电。

2 系统软件设计

2.1 主程序设计 主程序开始，先初始化各个模块，然后等待命令，若有命令则判断是控制命令还是查询命令，若为查询命令，则向客户端发送信息，若为控制命令，执行控制动作；若无控制命令，判断无线接收数据，若有则做数据处理，若无则数据更新显示，并返回等待命令。

传感器节点开始工作时开启MCU的定时器，由HS1101与NE555组成多谐振荡器，空气湿度值改变将改变容值，并产生周期不同的方波。由式（1）计算出电容

C=T/（0.7*（R1+2*R2）） （1）

C：湿敏电容容值；

T：方波周期；

R1：567K；

R2：20K。

由单片机定时器获得周期。根据HS1101特性曲线（拟合直线），解出湿度值，然后发送给无线接收主控（为了防止湿度值突变，在测量200次之后再进行处理）。在后台轮询来自主控的无线数据查询信号，并将处理后的当前湿度值通过无线发回主控。

2.2 湿度变化拟合曲线

3 实验测试及分析

3.1 测试方案 系统测试采用先模块单独调试再系统联调的方法。①测试电源模块的输出，得到功率，电压电流信息。②硬件仿真测试单片机，测试液晶显示是否正常。③湿度传感器测试湿度是否采集值成正比，同时测试加湿干燥机构在供电正常情况下能否正常工作。④用PC机的串口调试和GSM模块之间串行通信。⑤整机系统连接好，重复以上步骤，测试数据接收。

通过以上测试，可判断整机运行是否正常。

3.2 测试数据 测试数据包括以下四部分：①通过万用表测试电源模块的输出：+5V和+3．3V的误差在±0．1Y以内，接上所有负载后输出的电流达1A；②通过设置不同的标准状态值：测试到系统的超标自动发送短信至终端功能正常；③终端发送查询指令至系统：测试到手持机终端接收到的数据和TFT液晶显示屏显示的数据完全吻合；④终端发送控制信息至系统：得到动作与指令相同。

3.3 结果分析 经过各项性能的测试，系统指标和参数基本达到预期的效果，如果能考虑到实际的能效，系统将更加完善。

4 结束语

本系统的设计过程中，注重良好的用户体验和系统的工程性。采用高精度电容式湿度传感器，大大提高了数据的可靠性，使系统在对湿度要求高的环境有良好表现。并且采用基于NRF2401的无线传感网络系统能对不同的位置都能满足要求。经过试验测试，具有良好的采集效果和可靠的数据传输效果，采集控制范围达到100m2并具有很好的抗干扰能力。

教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献：

[1]杨世杰.基于GSM的远程智能温控系统[J].电子世界，2011，12：49-50.

[2]杨真理.基于430单片机和Ptl00的智能温控系统[J].镇江高专学报，2013，10：77-78.

[3]刘文.基于51系列单片机的无线智能温控系统设计[J].电子测试，2009，10：40-44.