基于WIFI無線溫度測量系統的研究目錄TOC\o"1-3"\h\u1引言 11.1溫度測量系統的研究意義 11.2溫度測量系統的發展歷史 11.3溫度測量系統的發展方向 12基于WIFI無線溫度測量系統的基本介紹 32.1基于WIFI無線溫度測量系統的特點 32.2基于WIFI無線溫度測量系統的功能 32.3基于WIFI無線溫度測量系統的應用 33基于WiFi無線溫度測量系統設計 53.1方案設計 53.1.1系統的組成部分 53.1.2工作流程圖 53.1.3開發技術的選擇 63.2電路構建 63.2.1核心模塊 63.2.2連接模塊 73.2.2繼電器模塊 83.2.3溫濕度檢測模塊 83.2.4蜂鳴器模塊 93.3PCB制板步驟 93.4安卓app開發步驟 114基于WIFI無線溫度測量系統驗證實驗 144.1前期準備 144.2軟件使用方法 154.3功能測試 164.4結果分析 194.4.1各傳感器示數不同原因 194.4.2實驗結果 195總結 20參考文獻 21致謝 22

摘要：溫度測量系統是用來測量和監控溫度的裝置或系統，廣泛應用于各種領域，包括工業、科研、環境監測和家庭用途等。本文研究基于WIFI的無線溫度測量系統，通過電路設計，結合PCB繪制，以ESP8266芯片為核心，DHT11傳感器為數據源，同時開發相關的安卓應用程序，實現應用與ESP8266的雙向通信。通過DHT11傳感器能夠實時、準確地進行環境溫度監測和數據記錄，并在ESP8266端通過WiFi實現數據的無線傳輸，用戶能夠在安卓應用中遠程監看并對系統進行設置。提升了溫度監測工作的便捷性和效率。關鍵詞:WiFi；ESP8266；溫度測量系統；智能監控1引言1.1溫度測量系統的研究意義為了確保工業生產正常進行、環境監測數據可靠，需要同時監測許多參數。溫度是需要監測的眾多參數之一，與之對應的溫度測量系統是由測量溫度的裝置及后續的處理裝置組合形成的系統。可以通過對溫度數據的分析，記錄溫度變化的趨勢并在出現異常情況時報警。傳統的溫度測量系統通常需要通過有線連接傳輸數據，基于WiFi無線溫度測量系統的研究是對傳統溫度測量技術的創新和改進。通過引入無線傳輸和其他先進技術，可以提高溫度測量的準確性、穩定性和便捷性，滿足現代化測量需求，可以在工業、醫療、環境監測等領域得到廣泛應用，也可在提高生產效率、保障安全和提供環境保護等方面發揮作用。1.2溫度測量系統的發展歷史溫度測量系統的歷史源遠流長，其演變過程反映了人類越來越需要精確測量和控制溫度。最早在1593年，意大利科學家伽利略發明了世界上第一種溫度計，這種溫度計基于熱脹冷縮的原理。開啟了科學測量溫度的大門。1714年，丹尼爾·加布里埃爾·法倫海特發明了水銀溫度計和華氏溫標。1742年，瑞典天文學家安德斯提出了以水的冰點為0度，沸點為100度的溫度標度，這一標度后來成為國際上最廣泛使用的溫度計量系統——攝氏溫標。到了19世紀，隨著工業革命的推進，對溫度測量的需求和精度要求不斷提高，德國物理學家塞貝克于1821年發現，溫度差異會引起電壓差的熱電現象，能將溫度變化轉換成電信號。這一發現使得熱電偶傳感器得以制造。進入20世紀，隨著電子技術的飛速發展，溫度測量技術也步入了一個新的階段。隨著半導體技術的發展，智能數字溫度傳感器不僅能夠精確測量溫度，還能夠通過內置的微處理器對溫度數據進行處理和分析，以滿足日益增長的精確度和便利性需求[1]。這一過程是人類科學和技術的進步過程，也是人類對環境認知的深化過程。1.3溫度測量系統的發展方向隨著電子信息技術的發展與科技的進步，溫度測量方式以及溫度測量系統也在不斷發展，目前溫度測量系統主要有無線化和智能化的發展趨勢。無線化：從需要人近距離讀取示數，到有線溫度計的出現使讀取距離變長，再到溫度數據可以通過各種協議遠程傳輸，解放了讀取限制。智能化：隨著傳感器技術和處理器技術的發展，溫度測量系統正逐漸向更強的數據處理能力和更智能的判斷、分析能力發展。同時能夠與計算機系統處理集成，實現數據的監控、記錄和分析，并能夠及時進行后續處理[2]。溫度測量技術在無線化、智能化方面的持續進步，是為了滿足日益復雜和多樣化的應用需求。但在設計溫度檢測系統時，并非越先進、越復雜越好。需要依據實際情況，根據需要的目標功能，結合成本、精度各種因素具體設計，使最終系統取得成本和性能的平衡。

2基于WIFI無線溫度測量系統的基本介紹2.1基于WIFI無線溫度測量系統的特點基于WiFi無線溫度測量系統是一種通過傳感器測量溫度數據，并利用WiFi技術進行數據通信的溫度監測系統。系統組成部分包括傳感器模塊、數據處理模塊和無線通信模塊。本系統具有通過WiFi進行通訊的能力，用戶可以從局域網中的任何地方訪問溫度數據，而不受線路的限制。從而可以實現對室內或特定環境下對溫度的實時監測和控制，大大提高了溫度監測的靈活性。同時該系統具有良好的擴展性，具有通過增加更多的傳感器來增加系統測量點位的能力，可以適應不同規模測量環境。2.2基于WIFI無線溫度測量系統的功能基于WIFI的無線溫度測量系統，借助WIFI技術實現遠程的溫度數據采集與監控，使得用戶能夠在任何有網絡的地方實時了解和分析溫度數據。該系統具有以下功能：溫度監測與數據訪問：能夠測量某點溫度并將其通過WIFI傳輸數據至用戶端。用戶可以通過局域網進行無線訪問，通過手機應用查看溫度。手機應用：通過編寫安卓應用，設置直觀、易用的用戶界面，使用戶能夠輕松查看當前的溫度濕度數據及其變化趨勢，同時允許用戶進行設置和調整監測參數，進行個性化定制。智能處理：當溫度超出預設的報警閾值時，系統能夠立即切斷繼電器，同時蜂鳴器報警提醒用戶及時進行處置，排除故障，使系統恢復正常工作。基于WiFi的無線溫度測量系統功能豐富，是一種集靈活性、便捷性于一身的溫度測量系統，方便用戶進行溫度監測。2.3基于WIFI無線溫度測量系統的應用由于基于WiFi的溫度檢測系統可無線連接并擁有一定的智能處理功能，該系統可以適用于各種需要監測溫度的場景。例如在生產線上，該系統可以用于監測設備溫度，防止設備因過熱或過冷而導致生產效率下降；在倉儲環境中，該系統可用于監測室內溫度濕度數據及其變化，智能調整空調系統，防止溫度過高導致貨物變質；在農業中，WiFi無線溫度測量系統可監測空氣、土壤的溫度和濕度，為農作物創造合適的生長環境，從而提高產量。該溫度檢測系統具有與更多分系統整合的潛力，能夠實現簡單的自動化、智能化處理，即使在復雜的環境中也能從發揮獨特的作用。

3基于WiFi無線溫度測量系統設計3.1方案設計3.1.1系統的組成部分為了實現設定的WIFI無線溫度測量系統的功能，同時確保系統的可靠性、精確性，整個系統應具有以下幾部分：傳感器與微處理器：這是系統最關鍵的部分，是數據的來源。負責測量環境溫度濕度數據并進行處理。還需要執行對應程序，通過WiFi模塊向用戶發送數據。軟件部分：軟件是整個系統的靈魂，選定的硬件需要通過軟件的處理才能正常工作。需要的軟件包括燒錄在微處理器上的固件，以及用戶端的手機應用程序。固件負責控制硬件、處理數據并與用戶通信。用戶端的應用程序負責提供一個用于查看數據、接收警報和進行系統設置的界面。使用戶能夠方便地監測溫度數據并進行必要的操作。這些組成部分共同構成了一個完整的基于WiFi的無線溫度測量系統，能夠滿足家庭自動化、工業監控或環境監測等多種應用場景的需求[3]。3.1.2工作流程圖流程圖是用來直觀地描述一個工作過程的具體步驟圖，它使用圖形表示流程思路，把一個復雜的過程簡單而直觀地展示出來，大大提高了系統設計的效率。整個溫度測量系統可以分成三部分：ESP8266端的溫度濕度識別發送過程；手機APP端的數據接受處理過程；報警閾值的更改過程，它們的流程如圖１.1所示，系統整體運行的流程圖如圖１.2所示：圖1.1系統流程圖圖1.2系統流程圖3.1.3開發技術的選擇目前Android開發常用的編程語言有兩種：Java和Kotlin。Kotlin是目前Google官方建議的開發語言，具有來自官方的更新支持。Java雖不再是官方語言，但其成熟穩定的特點、豐富的資源和開發文檔，方便的跨平臺操作導致Java自1995年以來仍在不斷發展，擁有龐大的生態系統和廣泛的社區支持。這使得Java擁有大量的庫和工具、學習資源、教程和開發文檔[4]。考慮到項目較小，難度有限，加之擁有學習過Java課程的經驗，具有一定的編程能力，故在構建本系統的過程中選擇Java作為軟件的編程語言。3.2電路構建3.2.1核心模塊這部分是系統的核心，直接負責實現讀取溫濕度數據等相關功能。常用的微控制器有ESP8266、STM32、STC89C51等芯片。由于ESP8266既能夠作為主機獨立運行，也可以作為下位機互相通訊，有良好的擴展性，實現互聯互通。且其具有WiFi通信模塊，對于Arduino具有優秀的適配性及庫支持，便與編程操作。除此之外，其工作溫度范圍廣，可在零下40℃至125℃中正常工作，能夠很好的適應溫度測量工作。其故選用該芯片為核心板。為了方便使用，還需設置排插，方便與外部設備連接。其核心板實物圖如圖2所示，原理圖如圖3所示。圖2ESP8266實物圖圖3ESP8266系統原理圖3.2.2連接模塊主要組成部分為排母，負責將核心板與功能版連接，以實現相關功能。其原理圖如圖4所示。雖然ESP8266開發板有板載LED燈表示電源通斷，但是其亮度不高，不便于觀察，故額外添加一LED燈（LED0）用于表示ESP8266的通電狀態。圖4連接模塊原理圖3.2.2繼電器模塊主要組成部分是繼電器，三極管及3pin接線端子。繼電器是一種電子設備，能通過控制小電壓/小電流安全地控制高電壓/高電流設備。3pin接線端子負責對外輸出電壓/電流，用以驅動用電器。不同的LED燈用來指示該部分的工作狀態。LED５指示電源通斷，LED6指示是否啟用繼電器。因為供電電壓為5V，繼電器選用SRD-05VDC-SL-C，該繼電器能夠切換15A/250V的電壓/電流，滿足要求[5]。在補充完成后得到的原理圖如圖5所示。圖5繼電器模塊原理圖3.2.3溫濕度檢測模塊溫度濕度傳感器有很多種類，常見的包括：DHT系列、SHT系列、BME系列、HTU系列、Si70xx系列等。雖然DHT11的測量精度和響應時間不如一些高端傳感器，但該型號價格低廉、易于使用、工作溫度濕度范圍廣，覆蓋常用環境溫度等優點。決定在本系統中以DHT11作為溫濕度傳感器[6]。在補充上拉電阻R2和通電指示燈LED1后，構成的單個溫濕度監測模塊如圖6所示。圖6溫濕度檢測模塊原理圖3.2.4蜂鳴器模塊蜂鳴器模塊是一種常用的聲音輸出設備，通常用于發出警報、提醒或提示。通常分為有源和無源兩種類型，有源蜂鳴器內置驅動電路，無需外部驅動電路；而無源蜂鳴器需要外部驅動電路。根據聲音輸出的音量、頻率、工作電壓等因素選擇合適的蜂鳴器。為簡化電路，方便操作，選用有源繼電器。由于蜂鳴器內部線圈為感性元件，防止突然斷電后損壞，需補充二極管D1。使斷開電路后能夠通過二極管消耗掉電流。為了防止電流過大，需要設置限流電阻R13。最終得到蜂鳴器模塊的原理圖如圖7所示[7]。圖7蜂鳴器模塊原理圖3.3PCB制板步驟制作符合設計要求的PCB板需要經過以下步驟[8]：確定電路功能：明確設計思路，確定電路功能。繪制原理圖：對于整體電路設計布局，由左至右，由上至下，在必要的時候進行分圖設計；整體電路設計可采取先部分再總體的思路，使用設計軟件（嘉立創EDA）根據電路的需求放置元件并連線，繪制完成后進行原理圖驗證。PCB布局：首先創建新的PCB文件，隨后根據繪制的原理圖，點擊“更新/轉換原理圖到PCB”將使用的元件及網絡結構更新轉換至PCB圖中，對電路進行初步的布局設計，包括設置電路板的大小、確定元件的位置。進行布線：將不同元件按照電路圖中的電氣網絡進行連通。布線時避免出現銳角走線，防止出現交叉。使用雙層板，在頂層和底層同時布線，防止出現線路沖突。總體優化：使電路板整潔、美觀，進行添加敷銅、設置淚滴等操作。將鋪銅設為GND極，使電路屏蔽得到優化。放置連接孔以提高電路結構的穩定性，過孔周圍防止連接孔，可以使信號傳輸不受干擾。完成后得到的PCB如圖8.1、圖8.2所示。PCB打樣：將PCB文件提交給PCB廠家進行制作，設置PCB板的材料、板厚、組裝方式等參數，以確保電路板的質量和工作效果。圖8.1頂層PCB圖圖8.2底層PCB圖3.4安卓app開發步驟安卓應用程序的開發步驟包括以下幾個階段[9]：設置開發環境：安裝AndroidStudio和所需的JavaSDK。創建項目：在AndroidStudio中，通過點擊“File—New—NewProject”創建一個新的項目，選擇空模板，便于對按鈕和文本框進行布局設置。開發代碼選用Java，SDK選擇Android7.0以實現最大兼容性。頁面設置如圖9所示。圖9開發環境設置確定應用需求：確定應用的功能。就本系統而言，要求能夠測量環境中某點的溫度濕度數據并將其顯示在頁面上。報警閾值可調，為了方便進行后續的數據分析，最好能夠將數據導出。設計應用界面：根據應用功能設計布局按鈕和文本框位置、大小、顏色等，以傳感器1為例，其對布局設置的代碼如圖10所示。圖10對傳感器1進行布局設置編寫代碼：使用Java編寫應用界面，包括在“activity_main.xml”文件中對文本框與按鈕的布局、顏色、圖標、字體大小界面進行設計。同時在“mainactivity.java”文件中實現用戶交互邏輯、數據處理、網絡通信等功能，完成邏輯代碼和功能代碼。以更新溫度、濕度的功能為例，其實現代碼如圖11所示。圖11更新數據代碼調試：在模擬器和真實設備上測試應用，進行調試，解決代碼中的bug和問題并最終使程序實現想要的功能。構建應用：進行編譯，點擊“Build——BuildAPK(s)”創建可以運行的安裝包文件。

4基于WIFI無線溫度測量系統驗證實驗4.1前期準備通過PCB打樣的操作，目前已經擁有了一塊如圖12.1、圖12.2所示的電路板。但想要驗證其性能，PCB裸板還需要進行焊接操作，使元件相互連接，測試其能否正常工作，焊接完畢后得到如圖13所示的PCB板。手機需要提前安裝軟件，從而實現接收數據和設置溫度報警閾值的功能。圖12.1PCB頂層圖12.2PCB底層圖13焊接完畢后的實物圖4.2軟件使用方法打開軟件后將顯示默認界面，如圖14所示，連接至局域網中后，并接收到數據后頁面會自動更新，以顯示對應的溫度濕度數據，如圖15所示。當點擊傳感器編號對應的按鈕后，頁面下方的圖表會將傳感器記錄到的溫度濕度變化情況以折線圖的形式繪制出來，如圖16所示。點擊不同的按鈕時，會顯示不同傳感器的溫濕度變化圖像，如圖17所示。點擊“導出”按鈕后能夠將該傳感器記錄到的數據以“.txt”文件導出，便于進行后續的分析。在“設置報警閾值”部分輸入溫度數據后，點擊“設置”按鈕，能夠更改ESP8266端的報警閾值。最下方的“繼電器開關”允許用戶手動控制繼電器的通斷。圖14默認界面圖15正常連接界面圖16傳感器4圖像圖17切換傳感器圖像4.3功能測試以小米溫濕度傳感器為參考，使用DHT11溫濕度傳感器，對該系統進行多次測試，以驗證其功能可靠性、數據準確度。分別測量室內、室外陰影與陽光直射下的溫度濕度數據[10]，記錄數據，繪制表格，可以得到表1、表2、表3。第一次測試：測試環境如圖18所示，測量室內溫度、濕度數據。此時系統正常工作。圖18室內測量環境表1室內溫度濕度數據對比對象溫度/℃溫度絕對誤差/℃溫度相對誤差/%濕度/%RH濕度絕對誤差/%RH濕度相對誤差/%小米溫濕度傳感器26.1008400傳感器127.21.14.217689.52傳感器226.70.62.307955.95傳感器327.00.93.457778.33傳感器426.70.62.307867.14第二次測試：測試環境如圖19所示，測量室外陰影環境溫度、濕度數據。報警閾值設置為38℃，系統正常工作。圖19室外陰影測量環境表２外界陰影溫度濕度數據對比對象溫度/℃溫度絕對誤差/℃溫度相對誤差/%濕度/%RH濕度絕對誤差/%RH濕度相對誤差/%小米溫濕度傳感器34.5006900傳感器133.51.02.90531623.19傳感器235.20.72.03551420.29傳感器333.60.92.61531623.19傳感器434.70.20.58571217.39第三次測試：測試環境如圖20所示，測量室外陽光下溫度、濕度數據。可以看到，此時的溫度示數大于設定的報警閾值，于是繼電器自動斷開，蜂鳴器開始報警。圖20室外陽光直射測量環境表3陽光直射溫度濕度數據對比對象溫度/℃溫度絕對誤差/℃溫度相對誤差/%濕度/%RH濕度絕對誤差/%RH濕度相對誤差/%小米溫濕度傳感器42.9005300傳感器142.50.40.93361732.08傳感器245.72.86.53371630.19傳感器342.50.40.93361732.08傳感器445.32.45.59371630.194.4結果分析4.4.1各傳感器示數不同原因傳感器的測量誤差：在環境溫度為25℃時，DHT11傳感器的溫度測量精度為±2℃，濕度測量精度為±5%RH。由于誤差影響，環境相同時，不同的傳感器本身就會出現測量結果的不同。環境因素影響：四個傳感器的位置必然不同，而不同點位上的溫度可能出現細微不同，用作參考的傳感器與４個DHT11傳感器所承受的光線角度不同。同時DHT11被陽光直射，而參考傳感器并未被陽光直射。從而導致測量結果不一致。電氣干擾和接線問題：傳感器連接可能不如預期穩固，導致信號出現干擾。4.4.2實驗結果根據三次實驗的數據結果表格進行分析，四個DHT11溫濕度傳感器記錄到的溫度數據與作為參考的小米溫濕度傳感器相比，絕對誤差總體在1℃以內，相對誤差較小；但是濕度數據誤差較大，尤其是在陽光直射環境下，誤差可達30%。該系統能通過WiFi將數據傳輸至手機端，實現了局域網內的WiFi通訊。

5總結在本文中，介紹了溫度測量系統的發展歷史、發展方向，探討了基于WiFi無線溫度測量系統應該具有的功能、特點及應用場景。隨后通過進行設計原理圖、制作PCB與編寫應用程序，最后通過焊接元件成功在現實中構建出了一個基于WiFi通訊協議的無線溫度測量系統。該系統設計目標是能夠進行實時的溫度與濕度測量并將數據通過WiFi傳輸至用戶端手機app端顯示。能以曲線圖展示測量的點位的溫度濕度變化趨勢。具有報警功能并允許用戶更改報警的溫度閾值。分析實驗結果，DHT11測量到的溫度濕度數據足夠精確，誤差為3%左右，表現良好。該系統能夠實現局域網內的WiFi通信，很好的滿足了該系統的設計目的。美中不足的