CN219551578U - 一种网络化环境温湿度监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种网络化环境温湿度监测系统，属于温湿度监测领域。其包括温湿度采集边缘设备、网络交换机和主控计算机；湿度采集边缘设备包括微控制器、温湿度传感器、蜂鸣器、存储器、液晶显示模组、按键、以太网卡、RJ‑45接口；微控制器通过I2C接口与存储器连接，通过SPI接口与以太网卡连接，通过1路外部中断接口接收以太网卡发起的中断请求，通过4路外部中断接口分别连接四个按键，通过1路脉宽调制接口连接蜂鸣器的控制引脚，通过FSMC接口与液晶显示模组连接；温湿度传感器连接在微控制器的一个GPIO接口上；网络交换机将主控计算机和温湿度采集边缘设备接入局域网。该系统能够对不同区域的环境温度和湿度状态进行远程地、集中化地监测。

Description

一种网络化环境温湿度监测系统

技术领域

本实用新型属于温湿度监测领域，特别是指一种网络化环境温湿度监测系统。

背景技术

在环境温度和湿度需要特定条件的实验室、温室大棚、仓库等场所，需要对温度和湿度信息进行实时采集和控制，当场所的空间范围较大时，需要设置多个监测点，当前大多数情况是使用分立的温湿度传感器进行测量，每个测量点互相独立，这样难以将数据汇集起来进行集中监测。此外，传统的温湿度计测量法，往往需要人工定时地观察和统计测量结果，自动化程度较低，采样周期较长，各个测量点之间的数据在时间上也不同步。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种网络化环境温湿度监测系统，该系统利用温湿度采集边缘设备和计算机网络，能够对不同区域的环境温度和湿度状态进行远程地、集中化地监测。

为实现上述目的，本实用新型通过下述技术方案实现：

一种网络化环境温湿度监测系统，包括温湿度采集边缘设备、网络交换机和主控计算机；所述湿度采集边缘设备包括微控制器、温湿度传感器、蜂鸣器、存储器、液晶显示模组、按键、以太网卡、RJ-45接口；所述微控制器至少支持1路I2C、1路SPI、5路外部中断接口、1路脉宽调制和1路定时器；所述微控制器通过I2C接口与所述存储器连接，通过SPI接口与所述以太网卡连接，通过1路外部中断接口接收以太网卡发起的中断请求，通过4路外部中断接口分别连接四个按键，通过1路脉宽调制接口连接蜂鸣器的控制引脚，通过FSMC(可变静态存储控制器)接口与液晶显示模组连接；所述温湿度传感器连接在微控制器的一个GPIO接口上；温湿度采集边缘设备通过RJ-45接口与网络交换机连接，所述网络交换机将主控计算机和温湿度采集边缘设备接入局域网。

进一步地，所述按键有5个，除了通过4路外部中断接口连接的四个按键外，还包括一个连接到微控制器的复位引脚上的复位按键。

进一步地，所述蜂鸣器为无源蜂鸣器。

进一步地，所述网络交换机为二层交换机或路由器。

本实用新型与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、本系统采用网络化部署，可在一台远程的主控计算机上实现对多个环境监测点的温湿度的实时监测。

2、本系统的温湿度采集边缘设备在不连接主控计算机时也能独立工作，实现对某个监测点的温度和湿度信息的采集，温湿度报警阈值可以通过按键灵活调整，增加了适用的场合；无源蜂鸣器发出不同频率的声音来区分温湿度异常情况，使用户能仅凭报警声音即可辨别异常情况，对用户更加友好。

3、本系统的温湿度采集边缘设备可以使用内部集成的TCP/IP协议、10M/100M以太网MAC和PHY的集成网卡芯片，从而降低了硬件设计的复杂度和CPU的运算开销，提高了设备工作的稳定性。

4、本系统的温湿度采集边缘设备在连接主控计算机后，可以用特定命令修改采样周期、温湿度报警阈值及网卡的参数，便于远程的用户对温湿度采集边缘设备做特定修改，简化了修改方式。

5、本系统的主控计算机与温湿度采集边缘设备之间用网络交换机，方便了根据实际需要连接更多的温湿采集边缘设备以增加监测点，具有较高的可扩展性。

附图说明

图1是一种网络化环境温湿度监测系统的结构示意图。

图2是温湿度采集边缘设备的结构示意图。

图3是微控制器的工作流程图。

图4是网卡中断服务函数流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

一种网络化环境温湿度监测系统，主要由温湿度采集边缘设备、网络交换机、主控计算机三部分组成。所述的湿度采集边缘设备，主要由微控制器MCU、温湿度传感器DTH11、无源蜂鸣器、EEPROM存储器件AT24C01、液晶显示模组LCM、5个按键(标识分别为RST/H/T/↑/↓)、以太网卡NIC、RJ-45等组成。

所述微控制器至少支持1路I2C、1路SPI、5路外部中断接口、1路脉宽调制(PWM)、1路定时器。

所述微控制器与EEPROM通过I2C接口通信，与NIC通过SPI接口通信，通过1路外部中断接口接收NIC发起的中断请求，通过4路外部中断接口分别连接四个按键，通过1路脉宽调制(PWM)连接蜂鸣器的控制引脚。

所述温湿度传感器DTH11连接在MCU的一个GPIO上。

所述EEPROM存储器件存储人工设置的采样周期、湿度阈值和温度阈值、网卡的IP地址、MAC地址、端口号、双工和速度模式等配置信息。

所述液晶显示模组LCM通过FSMC接口与MCU连接，它可显示采集的实时湿度、温度和用户设定的湿度、温度阈值，以及网卡的IP地址、MAC地址、端口号、双工和速度模式、连接状态。

所述5个按键中，按键RST按下发出的低脉冲，能复位微控制器；按键H能设置湿度报警阈值，单击H设置湿度阈值上限，双击H设置湿度阈值下限；按键T能设置温度报警阈值，单击T设置温度阈值上限，双击H设置温度阈值下限；按键↑用于增大当前数值，按键↓用于减小当前数值。

所述网络交换机使用通用的二层交换机或路由器，将主控计算机和温湿度采集边缘设备接入局域网。当温湿度采集边缘设备数量多于交换机的RJ-45插座数量时，可采用多个交换机进行级联。

以下为一个更具体的例子：

一种网络化环境温湿度监测系统，如图1所示，主要由温湿度采集边缘设备、网络交换机、主控计算机三部分组成。

本系统的核心组件是温湿度采集边缘设备，其硬件架构如图2所示。湿度采集边缘设备主要由微控制器MCU、温湿度传感器DTH11、无源蜂鸣器、EEPROM存储器件AT24C01、液晶显示模组LCM、5个按键(标识分别为RST/H/T/↑/↓)、以太网卡NIC、RJ-45等组成。湿度采集边缘设备既能作为单个温湿度检测设备独立工作，也能作为温湿度检测网络的边缘设备，周期性地向远程主控计算机发送温湿度信息。

所述微控制器MCU至少支持1路I2C、1路SPI、5路外部中断、1路PWM、1路定时器，其中，I2C用于和EEPROM通信，SPI用于和NIC通信，1路外部中断用于接收NIC发起的中断，其他四路外部中断用于处理四个按键发起的事件，主要功能是调整温湿度报警阈值上下限，PWM用于控制无源蜂鸣器的声音频率，定时器用于周期性地查询按键状态。

所述温湿度传感器DTH11使用单总线协议操作，只需要占用MCU的一个GPIO，每个周期读取5个字节，5个字节的内容依次分别是：2字节湿度数值，2字节温度数值，1字节校验和，湿度的测量范围是5～95％RH，精度为，±5％RH；温度测量范围是-20～+60℃，精度为±2℃。

所述无源蜂鸣器占用MCU的一个PWM输出引脚，通过在MCU中控制PWM输出定时器的定时周期，令无源蜂鸣器发出不同频率的声音，设置4中不同频率的声音，用于区分湿度(过高或过低)和温度(过高或过低)报警。

所述EEPROM存储器件AT24C01最多可存储128字节的信息，MCU通过I2C接口对其进行随机访问，用于存储人工设置的采样周期、湿度阈值和温度阈值、网卡的IP地址、MAC地址、端口号、双工和速度模式等配置，使得系统掉电复位后能恢复上一次用户的设置。

所述液晶显示模组LCM用于显示采集的实时湿度、温度和用户设定的湿度、温度阈值，以及网卡的IP地址、MAC地址、端口号、双工和速度模式、连接状态。

按键有5个，标识分别为RST、H、T、↑、↓，其中，按键RST用于复位温湿度采集边缘设备；按键H用于设置湿度报警阈值，单击H设置湿度阈值上限，双击H设置湿度阈值下限；按键T用于设置温度报警阈值，单击T设置温度阈值上限，双击H设置温度阈值下限；按键↑用于增大当前数值，按键↓用于减小当前数值，当前数值是指温度或湿度的报警阈值的上限或下限，需要与按键T或按键H配合使用。

所述以太网卡NIC是指网络接口控制器芯片，内部集成了TCP/IP协议、10M/100M以太网MAC和PHY，降低了硬件设计的复杂度。它通过SPI接口接入MCU，使得MCU能够接入以太网而不必处理网络协议，降低了CPU的开销和软件设计的复杂度。网卡初次使用默认的IP地址、MAC地址、端口号、双工和速度模式，主控计算机与之连接后可以对其IP地址、MAC地址、端口号、双工和速度模式使用特定的命令进行修改，修改后的参数保存在EEPROM中，下次启动时MCU会读取EEPROM中的参数，重置网卡的这些参数。

所述RJ-45是网线水晶头的插座，用于连接温湿度采集边缘设备与交换机。

所述网络交换机使用通用的二层交换机或路由器即可，用于将主控计算机和温湿度采集边缘设备接入局域网。当温湿度采集边缘设备数量多于交换机的RJ-45插座数量时，可以采用多个交换机进行级联，因此，一台主控计算机可以对局域网内的所有的温湿度采集边缘设备通讯。

所述主控计算机，是指带有网卡能进行网络通讯的通用计算机或嵌入式专用计算机，在主控计算机上通过TCP/IP协议与温湿度采集边缘设备进行通讯。

本例中，MCU选用GD32F103，NIC选用W5500，LCM选用LG128641-DY。

微控制器的工作流程图如图3所示，下面对其步骤做详细描述：

(1)温湿度采集边缘设备上电后，微控制器从EEPROM中读取采样周期、温度湿度报警阈值、网卡参数，分别用于设置定时器定时周期进而控制DTH11的采样周期、判断DTH11采集的温度湿度数据是否在报警阈值区间内、初始化网卡。

(2)初始化液晶显示模组，用于显示实时湿度、温度和用户设定的湿度、温度阈值，以及网卡的IP地址、MAC地址、端口号、双工和速度模式、连接状态。

(3)初始化网卡，将网卡的IP地址、MAC地址、端口号、双工和速度模式写入网卡的寄存器中，使工作在TCP Server模式，为远程主控计算机作为TCP Client与之连接做好准备。

(4)从DTH11读取温湿度值和校验和，将温度、湿度信息刷新显示到液晶显示模组上。

(5)对湿度值和温度值的四个字节数据相加，判断结果的低8位是否与校验和相等，如不相等，转入(4)；如果相等，则校验通过。

(6)比较测量的湿度与湿度阈值，若湿度过高，则设置PWM的占空比为X1，跳转到(9)；若湿度过低，则设置PWM占空比为X2，跳转到(9)；湿度正常转入下一步。

(7)比较测量的温度与温度阈值，若温度过高，则设置PWM的占空比为X3，跳转到(9)；若温度过低，则设置PWM占空比为X4，跳转到(9)。温度正常转入下一步。

(8)失能PWM输出，无源蜂鸣器保持静默，跳转到(10)。

(9)使能PWM输出，驱动无源蜂鸣器发出警报声，声音频率与X1、X2、X3、X4中的某一个值相对应。

(10)读取网卡连接状态寄存器，判断是否与远端的主控计算机连接，若无连接，则跳转到(12)，温湿度边缘设备独立工作；若已连接，则进行下一步。

(11)将温度和湿度信息通过网卡发送给TCP Client，即远端的主控计算机。

(12)读取定时器计数值，判断是否到达下一个采样周期，如果到达，则跳转到(4)；否则继续读取定时器计数值，并判断是否到达下一个采样周期。

主控计算机可以向温湿度采集边缘设备发送数据包，网卡芯片收到数据包后会向微控制器发起外部中断，在微控制器的网卡中断服务函数中，将数据包中的命令字符串解析为网卡的IP地址、MAC地址、端口号、双工和速度模式、采样周期、温度和湿度报警阈值等参数，将这些参数保存在EEPROM中，下次启动时MCU会读取EEPROM中的参数，重置上述参数，网卡中断服务函数流程如图4所示。

以上所述仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何形式上的限制。凡是根据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何的简单修改、等同变化，均落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种网络化环境温湿度监测系统，其特征在于，包括温湿度采集边缘设备、网络交换机和主控计算机；所述湿度采集边缘设备包括微控制器、温湿度传感器、蜂鸣器、存储器、液晶显示模组、按键、以太网卡、RJ-45接口；所述微控制器至少支持1路I2C、1路SPI、5路外部中断接口、1路脉宽调制和1路定时器；所述微控制器通过I2C接口与所述存储器连接，通过SPI接口与所述以太网卡连接，通过1路外部中断接口接收以太网卡发起的中断请求，通过4路外部中断接口分别连接四个按键，通过1路脉宽调制接口连接蜂鸣器的控制引脚，通过可变静态存储控制器接口与液晶显示模组连接；所述温湿度传感器连接在微控制器的一个GPIO接口上；温湿度采集边缘设备通过RJ-45接口与网络交换机连接，所述网络交换机将主控计算机和温湿度采集边缘设备接入局域网。

2.根据权利要求1所述的一种网络化环境温湿度监测系统，其特征在于，所述按键有5个，除了通过4路外部中断接口连接的四个按键外，还包括一个连接到微控制器的复位引脚上的复位按键。

3.根据权利要求1所述的一种网络化环境温湿度监测系统，其特征在于，所述蜂鸣器为无源蜂鸣器。

4.根据权利要求1所述的一种网络化环境温湿度监测系统，其特征在于，所述网络交换机为二层交换机或路由器。