基于WIFI无线温度测量系统的研究

基于WIFI无线温度测量系统的研究目录TOC\o"1-3"\h\u1引言 11.1温度测量系统的研究意义 11.2温度测量系统的发展历史 11.3温度测量系统的发展方向 12基于WIFI无线温度测量系统的基本介绍 32.1基于WIFI无线温度测量系统的特点 32.2基于WIFI无线温度测量系统的功能 32.3基于WIFI无线温度测量系统的应用 33基于WiFi无线温度测量系统设计 53.1方案设计 53.1.1系统的组成部分 53.1.2工作流程图 53.1.3开发技术的选择 63.2电路构建 63.2.1核心模块 63.2.2连接模块 73.2.2继电器模块 83.2.3温湿度检测模块 83.2.4蜂鸣器模块 93.3PCB制板步骤 93.4安卓app开发步骤 114基于WIFI无线温度测量系统验证实验 144.1前期准备 144.2软件使用方法 154.3功能测试 164.4结果分析 194.4.1各传感器示数不同原因 194.4.2实验结果 195总结 20参考文献 21致谢 22

摘要：温度测量系统是用来测量和监控温度的装置或系统，广泛应用于各种领域，包括工业、科研、环境监测和家庭用途等。本文研究基于WIFI的无线温度测量系统，通过电路设计，结合PCB绘制，以ESP8266芯片为核心，DHT11传感器为数据源，同时开发相关的安卓应用程序，实现应用与ESP8266的双向通信。通过DHT11传感器能够实时、准确地进行环境温度监测和数据记录，并在ESP8266端通过WiFi实现数据的无线传输，用户能够在安卓应用中远程监看并对系统进行设置。提升了温度监测工作的便捷性和效率。关键词:WiFi；ESP8266；温度测量系统；智能监控1引言1.1温度测量系统的研究意义为了确保工业生产正常进行、环境监测数据可靠，需要同时监测许多参数。温度是需要监测的众多参数之一，与之对应的温度测量系统是由测量温度的装置及后续的处理装置组合形成的系统。可以通过对温度数据的分析，记录温度变化的趋势并在出现异常情况时报警。传统的温度测量系统通常需要通过有线连接传输数据，基于WiFi无线温度测量系统的研究是对传统温度测量技术的创新和改进。通过引入无线传输和其他先进技术，可以提高温度测量的准确性、稳定性和便捷性，满足现代化测量需求，可以在工业、医疗、环境监测等领域得到广泛应用，也可在提高生产效率、保障安全和提供环境保护等方面发挥作用。1.2温度测量系统的发展历史温度测量系统的历史源远流长，其演变过程反映了人类越来越需要精确测量和控制温度。最早在1593年，意大利科学家伽利略发明了世界上第一种温度计，这种温度计基于热胀冷缩的原理。开启了科学测量温度的大门。1714年，丹尼尔·加布里埃尔·法伦海特发明了水银温度计和华氏温标。1742年，瑞典天文学家安德斯提出了以水的冰点为0度，沸点为100度的温度标度，这一标度后来成为国际上最广泛使用的温度计量系统——摄氏温标。到了19世纪，随着工业革命的推进，对温度测量的需求和精度要求不断提高，德国物理学家塞贝克于1821年发现，温度差异会引起电压差的热电现象，能将温度变化转换成电信号。这一发现使得热电偶传感器得以制造。进入20世纪，随着电子技术的飞速发展，温度测量技术也步入了一个新的阶段。随着半导体技术的发展，智能数字温度传感器不仅能够精确测量温度，还能够通过内置的微处理器对温度数据进行处理和分析，以满足日益增长的精确度和便利性需求[1]。这一过程是人类科学和技术的进步过程，也是人类对环境认知的深化过程。1.3温度测量系统的发展方向随着电子信息技术的发展与科技的进步，温度测量方式以及温度测量系统也在不断发展，目前温度测量系统主要有无线化和智能化的发展趋势。无线化：从需要人近距离读取示数，到有线温度计的出现使读取距离变长，再到温度数据可以通过各种协议远程传输，解放了读取限制。智能化：随着传感器技术和处理器技术的发展，温度测量系统正逐渐向更强的数据处理能力和更智能的判断、分析能力发展。同时能够与计算机系统处理集成，实现数据的监控、记录和分析，并能够及时进行后续处理[2]。温度测量技术在无线化、智能化方面的持续进步，是为了满足日益复杂和多样化的应用需求。但在设计温度检测系统时，并非越先进、越复杂越好。需要依据实际情况，根据需要的目标功能，结合成本、精度各种因素具体设计，使最终系统取得成本和性能的平衡。

2基于WIFI无线温度测量系统的基本介绍2.1基于WIFI无线温度测量系统的特点基于WiFi无线温度测量系统是一种通过传感器测量温度数据，并利用WiFi技术进行数据通信的温度监测系统。系统组成部分包括传感器模块、数据处理模块和无线通信模块。本系统具有通过WiFi进行通讯的能力，用户可以从局域网中的任何地方访问温度数据，而不受线路的限制。从而可以实现对室内或特定环境下对温度的实时监测和控制，大大提高了温度监测的灵活性。同时该系统具有良好的扩展性，具有通过增加更多的传感器来增加系统测量点位的能力，可以适应不同规模测量环境。2.2基于WIFI无线温度测量系统的功能基于WIFI的无线温度测量系统，借助WIFI技术实现远程的温度数据采集与监控，使得用户能够在任何有网络的地方实时了解和分析温度数据。该系统具有以下功能：温度监测与数据访问：能够测量某点温度并将其通过WIFI传输数据至用户端。用户可以通过局域网进行无线访问，通过手机应用查看温度。手机应用：通过编写安卓应用，设置直观、易用的用户界面，使用户能够轻松查看当前的温度湿度数据及其变化趋势，同时允许用户进行设置和调整监测参数，进行个性化定制。智能处理：当温度超出预设的报警阈值时，系统能够立即切断继电器，同时蜂鸣器报警提醒用户及时进行处置，排除故障，使系统恢复正常工作。基于WiFi的无线温度测量系统功能丰富，是一种集灵活性、便捷性于一身的温度测量系统，方便用户进行温度监测。2.3基于WIFI无线温度测量系统的应用由于基于WiFi的温度检测系统可无线连接并拥有一定的智能处理功能，该系统可以适用于各种需要监测温度的场景。例如在生产线上，该系统可以用于监测设备温度，防止设备因过热或过冷而导致生产效率下降；在仓储环境中，该系统可用于监测室内温度湿度数据及其变化，智能调整空调系统，防止温度过高导致货物变质；在农业中，WiFi无线温度测量系统可监测空气、土壤的温度和湿度，为农作物创造合适的生长环境，从而提高产量。该温度检测系统具有与更多分系统整合的潜力，能够实现简单的自动化、智能化处理，即使在复杂的环境中也能从发挥独特的作用。

3基于WiFi无线温度测量系统设计3.1方案设计3.1.1系统的组成部分为了实现设定的WIFI无线温度测量系统的功能，同时确保系统的可靠性、精确性，整个系统应具有以下几部分：传感器与微处理器：这是系统最关键的部分，是数据的来源。负责测量环境温度湿度数据并进行处理。还需要执行对应程序，通过WiFi模块向用户发送数据。软件部分：软件是整个系统的灵魂，选定的硬件需要通过软件的处理才能正常工作。需要的软件包括烧录在微处理器上的固件，以及用户端的手机应用程序。固件负责控制硬件、处理数据并与用户通信。用户端的应用程序负责提供一个用于查看数据、接收警报和进行系统设置的界面。使用户能够方便地监测温度数据并进行必要的操作。这些组成部分共同构成了一个完整的基于WiFi的无线温度测量系统，能够满足家庭自动化、工业监控或环境监测等多种应用场景的需求[3]。3.1.2工作流程图流程图是用来直观地描述一个工作过程的具体步骤图，它使用图形表示流程思路，把一个复杂的过程简单而直观地展示出来，大大提高了系统设计的效率。整个温度测量系统可以分成三部分：ESP8266端的温度湿度识别发送过程；手机APP端的数据接受处理过程；报警阈值的更改过程，它们的流程如图１.1所示，系统整体运行的流程图如图１.2所示：图1.1系统流程图图1.2系统流程图3.1.3开发技术的选择目前Android开发常用的编程语言有两种：Java和Kotlin。Kotlin是目前Google官方建议的开发语言，具有来自官方的更新支持。Java虽不再是官方语言，但其成熟稳定的特点、丰富的资源和开发文档，方便的跨平台操作导致Java自1995年以来仍在不断发展，拥有庞大的生态系统和广泛的社区支持。这使得Java拥有大量的库和工具、学习资源、教程和开发文档[4]。考虑到项目较小，难度有限，加之拥有学习过Java课程的经验，具有一定的编程能力，故在构建本系统的过程中选择Java作为软件的编程语言。3.2电路构建3.2.1核心模块这部分是系统的核心，直接负责实现读取温湿度数据等相关功能。常用的微控制器有ESP8266、STM32、STC89C51等芯片。由于ESP8266既能够作为主机独立运行，也可以作为下位机互相通讯，有良好的扩展性，实现互联互通。且其具有WiFi通信模块，对于Arduino具有优秀的适配性及库支持，便与编程操作。除此之外，其工作温度范围广，可在零下40℃至125℃中正常工作，能够很好的适应温度测量工作。其故选用该芯片为核心板。为了方便使用，还需设置排插，方便与外部设备连接。其核心板实物图如图2所示，原理图如图3所示。图2ESP8266实物图图3ESP8266系统原理图3.2.2连接模块主要组成部分为排母，负责将核心板与功能版连接，以实现相关功能。其原理图如图4所示。虽然ESP8266开发板有板载LED灯表示电源通断，但是其亮度不高，不便于观察，故额外添加一LED灯（LED0）用于表示ESP8266的通电状态。图4连接模块原理图3.2.2继电器模块主要组成部分是继电器，三极管及3pin接线端子。继电器是一种电子设备，能通过控制小电压/小电流安全地控制高电压/高电流设备。3pin接线端子负责对外输出电压/电流，用以驱动用电器。不同的LED灯用来指示该部分的工作状态。LED５指示电源通断，LED6指示是否启用继电器。因为供电电压为5V，继电器选用SRD-05VDC-SL-C，该继电器能够切换15A/250V的电压/电流，满足要求[5]。在补充完成后得到的原理图如图5所示。图5继电器模块原理图3.2.3温湿度检测模块温度湿度传感器有很多种类，常见的包括：DHT系列、SHT系列、BME系列、HTU系列、Si70xx系列等。虽然DHT11的测量精度和响应时间不如一些高端传感器，但该型号价格低廉、易于使用、工作温度湿度范围广，覆盖常用环境温度等优点。决定在本系统中以DHT11作为温湿度传感器[6]。在补充上拉电阻R2和通电指示灯LED1后，构成的单个温湿度监测模块如图6所示。图6温湿度检测模块原理图3.2.4蜂鸣器模块蜂鸣器模块是一种常用的声音输出设备，通常用于发出警报、提醒或提示。通常分为有源和无源两种类型，有源蜂鸣器内置驱动电路，无需外部驱动电路；而无源蜂鸣器需要外部驱动电路。根据声音输出的音量、频率、工作电压等因素选择合适的蜂鸣器。为简化电路，方便操作，选用有源继电器。由于蜂鸣器内部线圈为感性元件，防止突然断电后损坏，需补充二极管D1。使断开电路后能够通过二极管消耗掉电流。为了防止电流过大，需要设置限流电阻R13。最终得到蜂鸣器模块的原理图如图7所示[7]。图7蜂鸣器模块原理图3.3PCB制板步骤制作符合设计要求的PCB板需要经过以下步骤[8]：确定电路功能：明确设计思路，确定电路功能。绘制原理图：对于整体电路设计布局，由左至右，由上至下，在必要的时候进行分图设计；整体电路设计可采取先部分再总体的思路，使用设计软件（嘉立创EDA）根据电路的需求放置元件并连线，绘制完成后进行原理图验证。PCB布局：首先创建新的PCB文件，随后根据绘制的原理图，点击“更新/转换原理图到PCB”将使用的元件及网络结构更新转换至PCB图中，对电路进行初步的布局设计，包括设置电路板的大小、确定元件的位置。进行布线：将不同元件按照电路图中的电气网络进行连通。布线时避免出现锐角走线，防止出现交叉。使用双层板，在顶层和底层同时布线，防止出现线路冲突。总体优化：使电路板整洁、美观，进行添加敷铜、设置泪滴等操作。将铺铜设为GND极，使电路屏蔽得到优化。放置连接孔以提高电路结构的稳定性，过孔周围防止连接孔，可以使信号传输不受干扰。完成后得到的PCB如图8.1、图8.2所示。PCB打样：将PCB文件提交给PCB厂家进行制作，设置PCB板的材料、板厚、组装方式等参数，以确保电路板的质量和工作效果。图8.1顶层PCB图图8.2底层PCB图3.4安卓app开发步骤安卓应用程序的开发步骤包括以下几个阶段[9]：设置开发环境：安装AndroidStudio和所需的JavaSDK。创建项目：在AndroidStudio中，通过点击“File—New—NewProject”创建一个新的项目，选择空模板，便于对按钮和文本框进行布局设置。开发代码选用Java，SDK选择Android7.0以实现最大兼容性。页面设置如图9所示。图9开发环境设置确定应用需求：确定应用的功能。就本系统而言，要求能够测量环境中某点的温度湿度数据并将其显示在页面上。报警阈值可调，为了方便进行后续的数据分析，最好能够将数据导出。设计应用界面：根据应用功能设计布局按钮和文本框位置、大小、颜色等，以传感器1为例，其对布局设置的代码如图10所示。图10对传感器1进行布局设置编写代码：使用Java编写应用界面，包括在“activity_main.xml”文件中对文本框与按钮的布局、颜色、图标、字体大小界面进行设计。同时在“mainactivity.java”文件中实现用户交互逻辑、数据处理、网络通信等功能，完成逻辑代码和功能代码。以更新温度、湿度的功能为例，其实现代码如图11所示。图11更新数据代码调试：在模拟器和真实设备上测试应用，进行调试，解决代码中的bug和问题并最终使程序实现想要的功能。构建应用：进行编译，点击“Build——BuildAPK(s)”创建可以运行的安装包文件。

4基于WIFI无线温度测量系统验证实验4.1前期准备通过PCB打样的操作，目前已经拥有了一块如图12.1、图12.2所示的电路板。但想要验证其性能，PCB裸板还需要进行焊接操作，使元件相互连接，测试其能否正常工作，焊接完毕后得到如图13所示的PCB板。手机需要提前安装软件，从而实现接收数据和设置温度报警阈值的功能。图12.1PCB顶层图12.2PCB底层图13焊接完毕后的实物图4.2软件使用方法打开软件后将显示默认界面，如图14所示，连接至局域网中后，并接收到数据后页面会自动更新，以显示对应的温度湿度数据，如图15所示。当点击传感器编号对应的按钮后，页面下方的图表会将传感器记录到的温度湿度变化情况以折线图的形式绘制出来，如图16所示。点击不同的按钮时，会显示不同传感器的温湿度变化图像，如图17所示。点击“导出”按钮后能够将该传感器记录到的数据以“.txt”文件导出，便于进行后续的分析。在“设置报警阈值”部分输入温度数据后，点击“设置”按钮，能够更改ESP8266端的报警阈值。最下方的“继电器开关”允许用户手动控制继电器的通断。图14默认界面图15正常连接界面图16传感器4图像图17切换传感器图像4.3功能测试以小米温湿度传感器为参考，使用DHT11温湿度传感器，对该系统进行多次测试，以验证其功能可靠性、数据准确度。分别测量室内、室外阴影与阳光直射下的温度湿度数据[10]，记录数据，绘制表格，可以得到表1、表2、表3。第一次测试：测试环境如图18所示，测量室内温度、湿度数据。此时系统正常工作。图18室内测量环境表1室内温度湿度数据对比对象温度/℃温度绝对误差/℃温度相对误差/%湿度/%RH湿度绝对误差/%RH湿度相对误差/%小米温湿度传感器26.1008400传感器127.21.14.217689.52传感器226.70.62.307955.95传感器327.00.93.457778.33传感器426.70.62.307867.14第二次测试：测试环境如图19所示，测量室外阴影环境温度、湿度数据。报警阈值设置为38℃，系统正常工作。图19室外阴影测量环境表２外界阴影温度湿度数据对比对象温度/℃温度绝对误差/℃温度相对误差/%湿度/%RH湿度绝对误差/%RH湿度相对误差/%小米温湿度传感器34.5006900传感器133.51.02.90531623.19传感器235.20.72.03551420.29传感器333.60.92.61531623.19传感器434.70.20.58571217.39第三次测试：测试环境如图20所示，测量室外阳光下温度、湿度数据。可以看到，此时的温度示数大于设定的报警阈值，于是继电器自动断开，蜂鸣器开始报警。图20室外阳光直射测量环境表3阳光直射温度湿度数据对比对象温度/℃温度绝对误差/℃温度相对误差/%湿度/%RH湿度绝对误差/%RH湿度相对误差/%小米温湿度传感器42.9005300传感器142.50.40.93361732.08传感器245.72.86.53371630.19传感器342.50.40.93361732.08传感器445.32.45.59371630.194.4结果分析4.4.1各传感器示数不同原因传感器的测量误差：在环境温度为25℃时，DHT11传感器的温度测量精度为±2℃，湿度测量精度为±5%RH。由于误差影响，环境相同时，不同的传感器本身就会出现测量结果的不同。环境因素影响：四个传感器的位置必然不同，而不同点位上的温度可能出现细微不同，用作参考的传感器与４个DHT11传感器所承受的光线角度不同。同时DHT11被阳光直射，而参考传感器并未被阳光直射。从而导致测量结果不一致。电气干扰和接线问题：传感器连接可能不如预期稳固，导致信号出现干扰。4.4.2实验结果根据三次实验的数据结果表格进行分析，四个DHT11温湿度传感器记录到的温度数据与作为参考的小米温湿度传感器相比，绝对误差总体在1℃以内，相对误差较小；但是湿度数据误差较大，尤其是在阳光直射环境下，误差可达30%。该系统能通过WiFi将数据传输至手机端，实现了局域网内的WiFi通讯。

5总结在本文中，介绍了温度测量系统的发展历史、发展方向，探讨了基于WiFi无线温度测量系统应该具有的功能、特点及应用场景。随后通过进行设计原理图、制作PCB与编写应用程序，最后通过焊接元件成功在现实中构建出了一个基于WiFi通讯协议的无线温度测量系统。该系统设计目标是能够进行实时的温度与湿度测量并将数据通过WiFi传输至用户端手机app端显示。能以曲线图展示测量的点位的温度湿度变化趋势。具有报警功能并允许用户更改报警的温度阈值。分析实验结果，DHT11测量到的温度湿度数据足够精确，误差为3%左右，表现良好。该系统能够实现局域网内的WiFi通信，很好的满足了该系统的设计目的。美中不足的