毕业设计（论文）-基于WIFI的无线控制系统.doc

青 岛 理 工 大 学毕 业 设 计（论 文）全套设计加扣3012250582 题目 基于WIFI的无线控制系统学生姓名： ，指导教师： ，通信与电子工程 学院 通信工程 专业 通信123 班2016年 06月 13日青岛理工大学毕业设计（论文）毕业设计(论文)任务书专业 通信工程 班级 通信123班 姓名 下发日期 2016年1月3日 题目基于WIFI的无线控制系统专题主要内容及要求物联网技术掀起了世界信息产业成长的第三次浪潮，其中WIFI技术广泛应用于许多领域。本设计以WIFI技术为基础，建立基于WIFI的无线控制系统。要求实现：（1）控制器采集温度和湿度，并在LCD上进行显示；（2）通过串口将数据发送给WIFI模块，然后发送到手机；（3）通过手机发送命令实现温度和湿度的改变。主要技术参数（1）WIFI网线网卡支持AP模式。（2）无线网卡支持802.11g，802.11b标准。（3）LCD显示模块（4）控制电机实现温度和湿度调整进度及完成日期3月21日-4月4日： 查阅并整理相关资料，并确定大体思路。4月5日-4月15日: 先进行温度和湿度的采集，并在LCD上显示。 4月16日-4月29日： 进行WIFI模块的调试。4月30日-5月12日： 将数据从控制器发送给WIFI模块。5月13日-5月27日： 对整个系统进行测试。5月28日-6月12日： 修改论文，最终定稿。6月13日-6月15日： 论文提交和答辩。教学院长签字日期教研室主任签字日期指导教师签字日期第 1 页II指 导 教 师 评 语本文以基于WIFI的无线控制系统为题，建立以WIFI为通信方式的物联网系统，通过DHT11温湿度传感器采集环境中温度和湿度，选择STM32f103ZE单片机作为微控制器，利用WIFI网络进行数据传输，实现手机APP控制电机启动与停止。经测试系统工作性能良好，达到了设计要求。论文选题符合本专业培养目标，具有一定的学术研究价值和实用意义，有一定难度，工作量较大。该生查阅文献资料能力较强，能较为全面地收集关于WIFI技术、软硬件设计等相关资料。能综合运用所学专业知识，解决系统的需求分析、硬件电路设计和软件设计等问题，综合运用知识能力较强。文章内容较为完整，层次结构安排科学，主要观点突出，逻辑关系清楚，但在系统实现的功能方面略显简单。论文语言表达流畅，格式符合规范要求；参考了较为丰富的文献资料，其时效性较强。综上所述，本文达到了本科学位论文的要求，同意该论文提交答辩，建议成绩为良。 指导教师: 年 月 日第 2 页指 定 论 文 评 阅 人 评 语WIFI技术在无线通信领域应用广泛，该生以“基于WIFI的无线控制系统”为题进行研究，选题有新颖，有实际应用价值。该课题有一定的难度，工作量较大，符合专业培养目标。从论文来看，该生查阅了大量的文献资料，具备了一定的文献综述和资料整理能力。论文内容较完整，层次结构清晰，主要观点突出，逻辑性较强，表明该同学具备了一定的分析能力。论文文字较流畅，达到了本科生的培养目标。基于WIFI的无线控制系统在功能上略显单一，对该系统实现的功能有待进一步扩展。综上所述，该论文达到了学士学位论文水平，同意该论文提交答辩。建议评定成绩为良。 评阅人: 年 月 日第 3 页答 辩 委 员 会 评 语该生以“基于WIFI的无线控制系统”为题进行毕业设计，能熟练地综合运用所学理论和专业知识，按期圆满地完成任务书所要求的毕业设计内容和毕业论文，表现出较强的独立工作能力，所设计的基于WIFI的无线控制系统具有较好的应用价值。论文设计方案正确，分析合理，有一定见解，层次分明，文字通顺，图表使用规范，论文格式符合要求。该生在答辩过程中，思路清晰，表达流畅；回答问题有理论根据，概念清楚，能正确回答答辩委员提出的所有问题。答辩委员会认为该生已具备学士学位水平，一致同意通过该生的毕业论文答辩，并建议学位委员会授予工学学士学位。答辩委员会主席签字： 年 月 日 总 评 成 绩周记成绩指导教师评定成绩评阅人评定成绩答辩成绩总 评主管院长签字第 4 页III摘 要新信息技术的重要部分是由物联网构成的，亦然“信息化”期间的重要阶段。其英文名字是：“Internet of things (IoT)”。即万物连接的汇集，解释物联网还是以互联网为基础的，并且能够应用到任何物品和物品之间进行有效的数据交换。关于物联网的使用，掀起了世界信息产业成长的第三次浪潮。本次设计是基于WIFI的无线控制系统，建立以WIFI为通信方式的物联网系统。物联网的基础就是传感器，此次选择DHT11温湿度传感器，微控制器选择STM32f103ZE单片机，通信网络是WIFI,处理器选择安卓手机。首先由DHT11温湿度传感器采集环境中温度和湿度，通过数据口将数据传输给微控制器，微控制器接收到数据后后通过串口将数据发送给WIFI模块，WIFI模块将数据发布到局域网中，处理器连入局域网，连接对应端口和IP，接收到信息，根据信息人们判断是增加温度还是降低温度，增加湿度还是降低湿度，继而经过处理器发送命令给控制器，控制器按照返回来的命令，实施电机的控制。本设计实现了一个基于WIFI的无线控制系统，更加便捷了人们的生活。关键词： 物联网，WIFI，STM32f103ZE，DHT11温湿度传感器IAbstractInternet of things (IoT) is an essential part of new information technology as well as a key process in information age. Generally, IoT refers to the network which based on internet, linking worldwide objects and transferring informative data with them. The application of IoT results in the third revolution for the development of world information industry. This design is on the basis of wireless control system theory, managing to establish a Wi-Fi communicating IoT system. As it is suggested, Sensing element is the foundation for IoT system. In this article, we choose DHT11 Temperature Humidity Sensor as the basic component. Also, we employ STM32f103ZE microcontroller, Wi-Fi communicating network and android mobile phone as processor to complete the whole design. There are 3 sub-processes within the whole design. Firstly, DHT11 Sensor will assess the temperature and humidity around surroundings, and transfer theses data to microcontroller via data port. The data received by microcontroller will be delivered through serial port to Wi-Fi model, which will release the data into local area network. Then, we utilize corresponding port to connect processor with local area network receiving the information. According to the informative exchange, we make a decision as to whether to increase or decrease the temperature and humidity. Finally, the decision will be presented directly to controller through processor transferring, helping to manipulate the motor. In conclusion. This article set up a promising IoT system via the approach of wireless communicating, which improve the efficiency and convenience of individuals lives. Key Words: IoT, WIFI, STM32F103ZEmicrocontroller，DHT11 Temperature and humidity sensorII目录第1章 绪论11.1 物联网背景11.2 物联网技术概述21.3 物联网技术实现3第2章 基于WIFI的无线控制系统52.1 需求分析52.2 基于WIFI的无线控制系统设计52.4 本章小结6第3章 基于WIFI的无线控制系统各模块设计83.1 主控模块设计83.1.1 主控模块硬件设计83.1.2 主控模块软件设计93.2 传感器模块设计93.2.1 传感器模块硬件设计93.2.2 传感器模块软件设计113.3 电机模块设计123.3.1 电机模块选型123.3.2 电机模块软件设计123.4 本地显示模块设计133.4.1 本地显示模块硬件设计133.4.2 本地显示模块软件设计143.5 串口模块设计153.5.1 串口模块选型153.5.2 串口模块硬件设计153.6 WIFI模块设计163.6.1 WIFI模块硬件设计163.6.2 WIFI模块软件设计173.7 本章小结17第4章 控制系统的测试与分析184.1 传感器和控制器通信的测试与分析184.2 信息传输网络的测试与分析184.3 无线控制系统环境监测运行功能分析194.4无线控制系统处理器控制电机功能分析204.5 本章小结20第5章 总结与展望21致 谢23参考文献24IV第1章 绪论1.1 物联网背景改革开放以后人们生活水平的不断提高，人们的生活方式也在不断发生着转变，从原来单调地追求衣食住行，到现在的为了生活追求，希望自己的生活更加安全便捷。因此，物与网的融合，物与物之间的相连，即物联网技术应运而生。现如今，物联网在各国都受到广泛的重视，欧洲、美国、日本等国家或地区都将之定为国家战略并付出实际行动。物联网最先的实现能够追溯到1990年美国施乐公司的网络可乐售饭机，物联网的概念也是美国先提出来的。欧盟在物联网方面在世界上都算是领先的，如英国的智能仪表、丹麦的“数字一卡通”等等，欧盟正在努力进行科研的环境开发和物联行业的标准化。日韩的“U-Korea”和“U-Japan”计划，美国的“智慧地球”计划，且我国也非常重视物联网技术，2009年温家宝总理提出要把无锡建成“感知中国”中心1。因而可见，世界各个地方都计划通过实施国家政策来加强本国物联网的发展，力争攻下这个后IP时代的制高点，从而推动本国以后经济和技术的发展，引领未来世界的前进方向。然而，目前的物联网仍然存在着国际公认的发展难题：物联网应用的碎片化2，由于嵌入式设备众多，通信技术多样，故没有一个统一的物联网技术标准，这使得不同的物联网应用领域采用不同的技术，相同的领域也有可能采用不同的技术，使得物联网很难形成规模性产业。基于WIFI的无线控制系统就是利用简单的单片机为主控协调各传感器的工作，以收集信息，然后通过WIFI网络将有效数据传输到处理器上，该处理器可以是电脑、手持设备等终端设备，进而快速有效的实现相应变量调节，形成一个简单的物联网系统。通过扩展本系统的个别参数，还可以扩展本系统的传感器，形成一个较大的物联网系统。通过这个设计，普通公司不仅节省了开销，个人也可以自己的环境中搭建属于自己的物联网系统，实现全方位地控制，真正实现了物联网技术的全民共享。1.2 物联网技术概述美国麻省理工学院1991年提出物联网的概念的，它的核心思想是根据相对应的通信协议，利用先进的射频识别（Radio Frequency Identification , RFID）技术1，以已经发展比较完善的互联网为基础，完成物和物消息的互联互通和智能化的辨识、感知、监视、定位和追踪3。国际电信联盟（International Telecommunication Union，ICU）于2005年正式确定了物联网的概念，并发布报告ITU互联网报告2005:物联网，指出：信息与通信技术（(Information Communication Technology，ICT）的目标已经从人与人（Human to Human，H2H）的沟通，发展到了人与物（Human to Thing，H2T）、物与物（Thing to Thing，T2T）之间的相互交互连通，无处不在，无处不连通的物联网通信的时代即将开始4。目前，物联网使用的无线传输技术标准一般有、蓝牙、无线射频技术(RFID)、Zigbee技术和WIFI技术等，提供的功能也各异，也存在着各种的优缺点。其中，WIFI技术就是本次设计所用的无线传输网络。随着互联网的快速普及，人们在日常的工作和生活中越来越依赖于对互联网的使用。因此，对WIFI的需求也越来越大。而此次无线控制系统就是基于WIFI技术而设计的，将WIFI作为一个介质，从而开发一个物联网系统。WIFI的中文名即无线保真，是一个无线网络通信技术的品牌，归WIFI联盟所有。WIFI技术主要是为了改善IEEE802.11标准的无线网络产品之间的互通性，具有传输速度快、无线覆盖范围广等优点5。其中，IEEE802.11b的传输速率最高为11Mbps，而IEEE802.11a与IEEE802.11g的传输速率最高为54Mbps。而且，IEEE802.11b使用免申请的2.42.4835GHz频段，因此使用成本低廉。WIFI技术与蓝牙技术一样属于近距离无线传输技术，但是相比于蓝牙传输距离更远、传输数据量更大更快。因此，对于目前的物联网系统，使用WIFI网络和互连网结合的方式，会具有更大的优势。而且，目前市场上有很多种类的WIFI模块，价格实惠，且功能强大。有的串口转WIFI类型、以太网转WIFI、USB转WIFI等多种类型，非常适合开发者的使用。1.3 物联网技术实现近几年物联网发展迅速、前景广阔，受到很多国家和公司的青睐。目前，市场上主流的物联网技术主要有一下几种：(1) 基于蓝牙传输的无线控制系统此系统是利用蓝牙技术进行信息的短距离传输，传感器模块进行信息的采集，通过蓝牙和设备终端的蓝牙接口连接，在设备终端通过蓝牙串口和APP，实现信息的获取和对家居个别物体的控制例如蓝牙控制的智能插座，蓝牙控制灯的照明等。但是，由于蓝牙的通常的传输距离只有十几米，特别情况下可以达到几百米，但仍然书友短距离的传输。并且，其仅限于和具有蓝牙功能的设备进行通信连接，通信有较为明显的限制，在当前市场上，蓝牙芯片的价格表较高，所以是开发的一个问题。(2) 基于ZigBee网络的无线控制系统ZigBee是一种相对廉价的、功耗比较低的近距离无线组网通讯技术，蜜蜂就是使用这种方式在群体内进行相互的通信，也可以应用在相应的嵌入式设备，如今在自动控制和远程控制领域被广泛使用6。因此，在智能家居领域内使用ZigBee网络可谓广受欢迎，如智能家居系列单品以及无线照明控制系统等等。每个ZigBee网络节点加上主控和传感器，不仅本身可以做信息的采集中心，还可以和其他ZigBee节点无线连接，做信息的中转中心，更可以实现自组织网。ZigBee网络将传感器采集的信息传输到服务器，实现信息的后期处理。但是，此系统只能在有网络的状态下实现信息的传输，当网络出现问题而中断的时候，这个ZigBee网络也会瘫痪。(3) 基于WIFI的无线控制系统WIFI是一种比较常用的无线传输系统，现在常用的设备终端都可以连接到有无线网的路由器，在人们的生活中比较普遍，优点就是技术比较成熟，方便二次开发，同样类似的产品也比较丰富，传输速率也高，控制设备只需要手机下载相应的APP即可，不需要额外的成本。但是缺点也很明显，不能够接入太多设备，接入太多会显示连接不上，这个需要后续的改进。第2章 基于WIFI的无线控制系统2.1 需求分析随着WIFI的普及，给物联网的实现打下了良好的基础，同时由于电子设备越来越多，通过一个控制终端将这些电子设备连接起来进行有效控制，电子设备都可以通过WIFI连接到控制器，根据已经设定的通信协议，控制器得到传感器的信息，根据信息控制设备终端，以此实现数据的交换，。随着目前人们对于生活舒适度和安全度要求的提高，开发无线控制系统是大势所趋。室内环境一般包括温度、湿度、光照强度、红外、一氧化碳浓度和、甲醛浓度等。另外，有的还需要室内环境信息的查询、报警以及摄像等功能。因此，为了满足人们的需求，所要开发的无线控制系统，需要包含上面的全部或者部分功能。2.2 基于WIFI的无线控制系统设计市场常见的物联系统虽然很多，但是也存在着开销大、使用复杂、安全可靠性较低等各种的局限性。然而，由于现在WIFI技术的日益成熟，通信效率高，并且在家庭中日益普遍，其具有比其他通信技术更好的优势，通过传感器模块采集的数据无线发送到控制器，这样可以在任意位置部署任意的传感器而不需要考虑传感器的布线和布局，不在抗干扰信号强的地方，拓展方便。所以，本设计采用WIFI模块作为数据的传输模块。由于本系统可以方便的扩展其他功能的传感器，所以现在只是接入温湿度传感器。同时，还可以利用WIFI模块的AP(Wireless Access Point)模式。当网络出现中断时，可以在本地建立局域网，实现本地使用手机客户端或者其他设备终端的软件获取信息和控制。针对目前物联网行业的发展，本系统将WIFI无线控制系统主要分为几个部分如下图2.1所示：传感器，即众多的智能传感器模块；控制器，连接传感器和设备终端，进行数据的交互和处理；处理器，制作HMI界面，从控制器中得到一些列数据，进行数据处理，并制作优秀的界面环境。处理器ATK-RM04WIFI模块MAX232串口模块传感器模块电机模块本地显示模块主控模块图2.1 WIFI控制系统设计框图如图2.1所示为WIFI控制系统的体系，传感器和电机模块是第一部分，是构成物联网体系的基础，就相当于人的眼，皮肤以及手脚等，感受环境的变化，对外界环境作出反馈，电子设备就是用来调节环境变量来让人们的生活更加适宜。控制器属于第二部分，属于最核心的地方，负责进行数据的处理和交互，接收到传感器的数据，进行处理得到对应环境变量，将有效数据通过网络发送给处理器，进而再得到处理器的返回数据，来控制电子设备的状态。控制器的强大，决定了出具传输的效率。处理器属于第三部分，直接和用户进行交接，将具体的数据及状态提供给客户，客户根据自己的需求，对电子设备进行控制，来改变环境参数。无线控制系统主要由传感器、控制器和处理器三部分组成。传感器的任务是采集的室内温湿度信息 控制器是无线系统的核心，负责接收传感器发送的数据帧，进行数据的处理得到对应的数据，并实现本地显示，是整个系统的基础子系统。处理器就是负责呈现给用户的东西，处理器连接到WIFI，连接相应端口，实现和控制器的通信，此时可以通过编写应用层程序，将接收到的信息以可视化的方式表现出来，此次通信使用的TCP/IP协议，在底层驱动连接完成的情况下，可以直接编写应用层程序。2.4 本章小结本章主要介绍了无线控制系统的整体方案设计，提供了一个可行的基于WIFI网络的无线控制物联系统。本系统具备信息采集、处理、传输、存储、显示、报警等多种功能，而且具备主模式与备用模式的切换，能够实现多种方式接收信息，安全可靠、形式多样，发展前景良好。第3章 基于WIFI的无线控制系统各模块设计传感器和控制器通信是无线控制系统的基础，主要承担信息采集任务。同时，又扩展了本地显示和报警功能。处理器和控制器通信是本次设计中的感知模块和处理器之间信息传递的桥梁，同时也是整个系统中要求最高的一部分，不仅在连接的安全性和可靠性方面要求很高，而且在功耗和便利性方面也是有较高的要求。本系统采用WIFI网络的方式，实现近距离和远程通信的设计，包括串口模块、WIFI模块以，远程通信模块，传感器模块、本地显示模块，以及电源模块。3.1 主控模块设计主控模块即控制器，可以说是信息采集的核心，也是整个系统的核心，它不仅承担了对信息的处理，还承担了对外围模块的控制任务，是整个控制系统的核心。3.1.1 主控模块硬件设计（1） 主控模块选型当前比较常用的电子设备主控板主要有ARM（Advanced RISC Machines）处理器、STM32微控制器、MSP430单片机和STC单片机系列等。虽然STC89C52RC价钱低，寄存器简单，msp430功耗更加低，AVR资源少，了解起来更加方便，但是就整体而言STM32比MSP430、AVR、STC89C52RC单片机功能更加强大，重要的是网络上资料丰富，可以移植ucos系统，方便内存管理，程序写下来，思路更加简洁。工作电压为5.5V3.3V，512k字节的Flash存储器，64K的随机存储器，拥有8个16 位定时器/计数器和60个可屏蔽中断，芯片集成定时器，CAN,ADC,SPI,I2C,USB,UART等多种功能7。（2） 主控模块硬件设计本次设计使用STM32F103ZE单片机为控制器，连接外围传感器等元器件，实现信息的采集和本地显示。同时，使用USB转串口连接单片机的TXD和RXD接口,使用KEIL5软件，利用烧录工具STLink进行程序的烧写。TFTLCD本地显示3.1.2 主控模块软件设计电机控制Stm32接收并处理信息DHT11采集信息图3.1 主控模块软件设计图信息采集子系统是本系统的基础模块，而主控模块是信息采集子系统的中心模块，因此可使用Keil5软件对STM32F103ZE单片机进行C语言编程，从而控制传感器，主要承担信息采集任务。同时，又添加了本地显示和电机模块。对于一般的控制系统，室内的温湿度，通过参考国家室内空气质量标准，夏季制冷时，一般温度为2228，湿度为4080%；冬季采暖时，一般温度为1624，湿度为3060%。但是，人们生活都有差异，南方人和北方人生活的温度，内陆和沿海的湿度都有差异，因此，控制系统根据人们自己检测到的温湿度以及自身的适应情况进行环境变量的调节。3.2 传感器模块设计传感器模块主要承担对信息的感知任务，即构成物联网的基础，需要依据需求选择对应功能的传感器。本设计是基于物联网的无线控制，在此选择较为常用的温湿度传感器，用来测量室内温湿度的功能，根据检测的温度和湿度，再通过无线控制进行调节。3.2.1 传感器模块硬件设计（1） 传感器模块选型对于温度的检测，比较普遍使用的是DS18B20，耐磨耐碰，体积小，使用方便，它是一种单线数字温度传感器，测温范围55+125，固有测温误差为1。虽然DS18B20优点很多，但是考虑到外围和集成度的问题，还有室内的环境需求，我决定选用数字式温湿度集成模块DHT11，减少外围模块的搭建复杂度。DHT11模块输出的数字信号内部已经经过了校准，同时为了确保模块的可靠与稳定，它本身使用专用的集成与传感技术。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC（Negative Temperature CoeffiCient）测温元件，使用5V供电电压，并与一个8位单片机相连接。此外，它利用单线串行的方法进行数据的传输，并且其自身的具有较小的尺寸与超低功耗，使得其成为该类应用中，在环境苛刻应用场合的最好的选择。其基本参数如表3.1所示:表3.1 DHT11基本参数项目类别温度（）湿度RH（%）测量范围0502090测量精度25分辨率11 （2） 传感器模块硬件设计如下图3.2所示，DHT11温湿度传感器和单片机相连时，在接单片机时接入一个4.7K的上拉电阻，同时供电电压为3.35V，所以连接开发板的5V供电插头。同时，为了显示工作传感器工作状态，接入一个发光二极管，当通电的时候发光我二极管会发亮。DHT11传输数据为串行传输，数据位接入单片机的IO口PG11口。图3.2 DHT11温湿度传感器设计电路图3.2.2 传感器模块软件设计通过查找DHT11的产品说明书了解到：DHT11的DATA 接口用于与微处理器的IO口之间的通讯和数据传输，利用串行接口（单向双线），数据格式单总线，在程序中先拉低电平20ms，主机再拉高，在4ms的时间里进行一次完整的40bit大小的数据传输，且高位先出8。数据传送正确时校验位数据等于前边的数据和（左边数据为高位）如表3.2所示。表3.2 DHT11温湿度传感器数据输出格式8bit湿度8bit湿度8bi温度8bit温度8bit校验整数数据小数数据整数数据小数数据数据之和当STM32F103ZE向DHT11发送一次请求采集数据的开始信号后，原先处于低功耗模式的DHT11模块会转换到高速模式工作，等待开始信号结束时，DHT11发送响应信号后向单片机送出40bit的数据，并处罚一次采集，用户可以选择读取部分数据，根据图3.3温湿度传感器工作时序来编程，使用void TH_Read_Data( u8 *tempature,u8 *huminity)函数和void TH_Read()函数，进行数据的读取和存储。图3.3 DHT11温湿度传感器工作时序图在处理数据的时候，需要排除特殊值，我们在程序里这样处理，接收十次数据，分别将湿度和温度存储在两个数组里，并分别排序，去除第一个即最小的和最后一个最大的，将剩下的取平均值，作为该时间段内的环境变量。3.3 电机模块设计3.3.1 电机模块选型本次设计选择电机为5V的直流电机，驱动电流比较小，可以用单片机IO口直接驱动，并且转速稳定，驱动能力强。相对于步进电机，直流电机的控制相对简单，定为要求不高，但是足以符合我们的条件。直流电机有两条线，红线接正极，黑线接负极，将负极接地，正极接在IO口PG10即可。3.3.2 电机模块软件设计 开始 控制电机的IO口初始化串口处理信息电机根据命令执行 结束图3.4 电机模块廉设计流程图根据直流电机的驱动方式，编写代码，实现功能，主要用到的函数和宏定义： void Motor_Init(void) ; /电机初始化函数 Void Motor_IO_OUT(void); /配置控制电机的IO口为输出模式#define MOTOR_DQ_OUT PGout(10) / 数据端口得到由手机发送的信号后a和b经过串口接收，识别到具体的协议，在串口中断中加入处理函数，就可以通过给MOTOR_DQ_OUT赋值来控制电机的转动。 3.4 本地显示模块设计本地显示模块主要是对室内温湿度进行直观显示，方便用户直接查看所在室内的温湿度情况。3.4.1 本地显示模块硬件设计（1） 本地显示模块选型TFT-LCD 即薄膜晶体管液晶显示器。其英文全名Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display。 TFT-LCD 与无源 TN-LCD、 STN-LCD 的简单矩阵不同， 它在液晶显示屏的每一个象素上都设置有一个薄膜晶体管（ TFT），可有效地克服非选通时的串扰，使显示液晶屏的静态特性与扫描线数无关，因此大大提高了图像质量。 TFT-LCD 也被叫做真彩液晶显示器9。相比较1602和12864液晶屏，TFT-LCD可以触摸，同时界面更大，更加友好，能呈现出图片和一些动画效果。（2） 本地显示模块硬件设计在传输的数据接口接入10K的电阻，模块采用16位并行方式和外部进行连接，如果使用8位的话，在进行数据传输的时候，会比较慢，所以使用16位的接口。液晶模块电路连线如图3.5所示：图3.5 TFT-LCD液晶硬件电路图3.4.2 本地显示模块软件设计 接收控制器的信息并显示 初始化 开始 结束图3.6 本地显示模块软件设计流程图根据TFTLCD液晶的读写时序，编写代码，实现显示功能。主要使用的函数是:Void LCD_Init(); /LCD初始化函数Void LCD_Dis_String(u16 x, u16 y, u8 *p, u16 color,u16 backcolor );/在指定位置显示字符串。用传感器采集完信息后，经处理后，使用LCD_Dis_String函数将温度和湿度在液晶上显示，因为我们将要使用汉字，所以显示汉字的时候，使用的是Flash里面的汉字库，所有在初始化LCD的同时，需要将SPI初始化，读取里边存储的汉字库。3.5 串口模块设计3.5.1 串口模块选型串口也就是串行通信接口，常用的有RS-232、半双工的RS-485，以及全双工的RS-422。本模块使用常见的RS-232串口通信方式，因此决定选用美信（MAXIM）公司设计的MAX232芯片，使用+5V供电，低功耗，非常适合本系统的应用。3.5.2 串口模块硬件设计MAX232芯片硬件电路简单，如图3.7所示，只需要四个0.1uF的外部瓷片电容，即可实现真正的RS-232性能，实现电平转换。图3.7 RS232串口模块电路图3.6 WIFI模块设计3.6.1 WIFI模块硬件设计（1） WIFI模块选型市面上有多种款式的WIFI模块，如ESP8266、USR-WIFI232和HLK-M30等等，基于实现本系统的主用于备用模式的原因，决定选择使用ALIENTEK公司生产的ATK-RM04串口转WIFI模块。ATK-RM04 是 ALIENTEK 推出的一款高性能 UART-ETH-WIFI（串口-以太网-无线网）模块。 ATK- RM04 模块板载 Hi-Link 公司的 HLK-RM04 模块，该模块通过 FCC， CE 认证，可直接用于产品销往欧美地区。ATK-RM04 模块采用串口（ RS232/LVTTL）与 MCU （或其他串口设备）通信，内置 TCP/IP协议栈，能够实现用户串口、以太网、无线网（ WIFI） 3 个接口之间的转换。通过 ATK-RM04 模块，传统的串口设备在不需要更改任何配置的情况下，即可通过网络（有线/WIFI）传输自己的数据，为用户的串口设备通过网络传输数据提供完整快速的解完美支持802.11 b/g/n协议，能够实现用户串口-无线网（WIFI）之间的转换。采用最新嵌入式WIFI 技术方案，主要针对智能家居、智能交通、智能安防、智慧城市方面的应用，对于功耗和串口数据传输做了极致的优化处理。ATK-RM04 模块支持多种配置模式，包括无线STA模式和AP模式。从而可以实现串口转WIFI STA及串口转WIFI AP。同时，此模块支持四种模式，包括TCP Server、TCP Client、UDP Server和UDP Client，还支持DHCP、DNS、HTTP高级应用层协议，用于网页开发。而且使用方便，像用串口一样使用此模块即可。波特率可调，支持AT指令，传输距离100-300 米（所处的环境不同，距离也将会不同），具有WPA-PSK/WPA2-PSK、WPA/WPA2 安全机制。 （2） WIFI模块硬件设计ATK-RM04是串口转WIFI模块，硬件电路图如下图4.5所示，与单片机通信使用串口方式，因此将WIFI模块通过MAX232串口模块和单片机的串口相连即可。同时，电源使用电源模块产生的5V电压供电。图3.8 ATK-RM04串口转WIFI模块电路图3.6.2 WIFI模块软件设计由于ATK-RM04模块支持AT指令和在线软件配置，因此可以使用软件方便的将模块配置成用户需要的模式。使用单片机的外部中断0的电平触发方式，在P3.2口接入一个按键，当按下时触发中断，进行主模式和备用模式的切换。手机等客户端需要连接HLK-M30模块建立的无线热点FITZ，密码默认为12345678，要连接的IP为6，端口号为8888。连通之后，在软件显示区自动显示接收到的温湿度数据。3.7 本章小结通过本地STM32F103ZE单片机控制D传感器获取室内温湿度数据，同时利用TFTLCD2.8实现数据的本地显示，并且通过MAX232串口模块和WIFI模块相连，利用编程实现数据的发送到手机然后根据人体自身的情况去进行调节电机，来达到控制温度和湿度的变化，结构简单、设计方便，同时电源的供给既可以使用通用电源适配器，又可以接入电池盒。通过WIFI模块提高了无线控制系统的可靠性和多用性，底层的设计，为中间的远程传输和上层应用层信息的获取打下了良好的基础。第4章 控制系统的测试与分析4.1 传感器和控制器通信的测试与分析无线控制系统的传感器和控制器通信，目前只有环境温湿度的采集。使用DHT11温湿度传感器，DATA接口接STM32F103ZE的PG11口，通过单片机控制进行数据的采集。给单片机上电，程序正常运行，TFTLCD正常显示传感器采集的温湿度值，未出现显示异常、数据异常。其测试结果如表5.1所示。表4.1 无线控制系统传感器和控制器通信测试结果模块主控板液晶显示温湿度传感器电机状态运行正常显示正常工作正常工作正常无线控制系统的信息采集子系统，通过数据的采集和本地显示，效果良好。但是由于选用的温湿度传感器的所显示的温度湿度的精度不高，温度湿度的分辨率分别是1和1%。而且，对于温度的采集范围是050，虽然已经比较好的满足了人们日常的需要，但对于一些特殊需求仍然不够，需要改进。因此，对于温度，同样可以使用DS18B20来提高精度，使用STM32的优势就体现出来，可以方便进行移植，需要在main函数中加入接口即可，使用多个传感器进行采集，通过特定序列号，读取一定位置的温度。4.2 信息传输网络的测试与分析无线控制系统的信息传输网络的设计简单高效，通过串口转WIFI模块，像使用普通串口一样实现信号的WIFI发送，可见好处很多。在本地无可用网络的情况下，通过使用WIFI模块的AP模式，自己组建一个局域网。然后电脑或者手机可以使用串口网络调试助手等软件工具，连接此网络，实现本地近程的无线监测。工作模式转换操作步骤如下：（1） 给系统上电后，默认是TCP Server模式；（2） 手机连接WIFI模块分享的热点后（IP：6；端口号：8888），在数据接收区接收到温湿度值，如图4.1所示。通过测试，系统传输正常，模式切换正常，不过串口偶尔会出现丢失数据的现象，需要后期进行代码的优化。另外，数据传输间隔太短，最好需要经过调研，来确定最佳的传输间隔，以节省功耗、网路流量和数据库的存储空间。另外，当按键切换为AP模式时，通过手机网络调试助手或电脑使用串口&TCP_UDP调试工具，即可实现数据的收发。手机端和电脑客户端显示如图4.1、4.2所示： 图4.1 手机客户端的实现 图4.2 电脑客户端的实现4.3 无线控制系统环境监测运行功能分析通过以上对整个系统的测试发现，系统整体功能表现良好、运行正常。使用本系统在一定环境内不间断工作24小时，通过分析所得的16372条温湿度数据，可得测试结果表明：本无线控制系统，性能比较稳定，温湿度误差都在可承受范围之内。将得到的数据进行处理之后，得到的监测结果如表5.2所示：表4.2 无线控制系统的测试结果房间编号123平均温度值及误差()25（-1.3）26（+1.1）28（-0.7）平均湿度值（误差）(%)56（+1）60（-1）65（-2）AP模式发送信息间隔(s)1.321.261.484.4无线控制系统处理器控制电机功能分析通过反馈回来的数据反映了环境参数的大小，我们根据实际情况去控制电机运转，此时约定通信协议为a（启动），b（关闭），在此试验100次表4.3 控制电机的检测结果命令a(启动)b(关闭)反应时间（s）0.5（+0.1）0.6（-0.1）该系统的反应时间就整体而言性能表现良好，延迟时间短，可以达到产品的预期。4.5 本章小结本部分主要是对无线控制系统的整体和部分做测试，以验证系统的可行性、可靠性、是否出现问题以及对问题的解决方法。系统整体测试顺利完成，对测试过程共出现的问题，也作了详细的说明，包括问题出现的原因以及解决方法。第5章 总结与展望近年来，随着物联网的发展，旨在为用户提供更加方便快捷生活、智能化的智能家居市场也在飞速发展。由于WIFI的广泛应用，物联网通信的难度大大降低，它将大量具有无线通信能力、处理能力、控制能力和感知能力的微型芯片嵌入到人们的日常生活之中，从而为广大用户提供透明的普适环境。而在用户体验方面，无线控制系统为了迎合不同用户的需求，可根据不同用户需求去选择和提供不同的服务方式。除了为方便人们的生活，无线控制系统更在节约能源方面大力投入，为建设绿色家居的目标而前进10。本系统从物联网技术出发，设计了无线控制系统。通过使用STM32F103ZE单片机和DHT11温湿度传感器进行室内信息的采集，同时TFTLCD2.8液晶显示功能。然后，单片机为控制通过串口发送数据包到WIFI模块，处理器连接到WIFI模块，人们根据收到的信息，进行温度湿度的调控，发送相应命令到控制器，进而控制电机来实现自己的目的。通过WIFI模块的AP模式功能，可使用按键切换WIFI模块的工作方式，使其建立局域网热点，实现信息在局域网内的传输，通过手机或电脑获取温湿度信息。本文所述的使用WIFI网络的基于物联网的无线控制系统，在功能和规模上都属于一个微型系统，还有很多的不足，但是本文从设计上论证了物联网系统家庭生活中的实现，高效廉价，普遍适用，效果良好。从本设计出发，可以进行大范围、多领域的扩展。本设计目前虽然只是局限于温湿度监测，但是在接下来还可以进行多方位的完善与探究，例如：（1） 除温湿度以外，增加一氧化碳、煤