基于樹莓派和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的的高低壓開關(guān)室溫控制系統(tǒng)設(shè)計摘要21世紀的社會是一個與時俱進的時代，科技浪潮的出現(xiàn)給生活帶來了質(zhì)的飛越，越來越多智能產(chǎn)品出現(xiàn)在人們的日常生活中，進一步提高了工作和生活的效率，一定程度上解放了人們的雙手，隨著智能產(chǎn)品的愈發(fā)成熟，人們對當(dāng)前所處的狀態(tài)也進一步提出了優(yōu)化的方法。本文以樹莓派嵌入式軟硬件系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過樹莓派系統(tǒng)的GPIO硬件接口以及常用傳感器在樹莓派上的布置和操作實現(xiàn)溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)獲取，通過基于樹莓派客戶端的python編程實現(xiàn)遠傳傳感器數(shù)據(jù)，最終設(shè)計基于安卓的APP遠程讀取傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。最終的系統(tǒng)設(shè)計表明可以實現(xiàn)實時的數(shù)據(jù)遠程傳輸和顯示，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對存儲于數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)進行實時的回調(diào)顯示。通過國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的文獻梳理以及結(jié)合實際實驗設(shè)計，本文論述了關(guān)于智能硬件技術(shù)下的室內(nèi)溫控的主要設(shè)計方案。開篇指出物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)及本次設(shè)計的室內(nèi)溫控系統(tǒng)在當(dāng)前的地位和重要性，接著文章概括了國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的開發(fā)動態(tài)。整個設(shè)計的進行都是嚴格根據(jù)設(shè)計的方案進行操作，最后通過對設(shè)計進行相關(guān)的測試與功能調(diào)試，完整實現(xiàn)了室內(nèi)溫控系統(tǒng)的預(yù)期功能，本次的設(shè)計從價格、功能方面都體現(xiàn)了很大的親民性，其較傳統(tǒng)的方式而言，具有更高的編程靈活性，可以實現(xiàn)更高自由度的控制以及更高精度的操作，具有重要意義。關(guān)鍵詞：樹莓派；溫濕度檢測；安卓APP；數(shù)據(jù)遠程通信目錄TOC\o"1-3"\h\u目錄 緒論1.1課題研究背景及意義物聯(lián)網(wǎng)的誕生，造福了人類社會。在當(dāng)前，以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的智慧產(chǎn)品已經(jīng)逐步占據(jù)人們工作和生活的各個陣地，成為了人們無法離開的智慧工具。這些智慧產(chǎn)品種類繁多，但都具有一個共通點，那就是幫助人們減輕工作，它們的出現(xiàn)，不僅為人類減輕了負擔(dān)，還幫助各種生產(chǎn)活動提高效率，加快了社會發(fā)展的步伐。智能產(chǎn)品對于人們的生活和工作而言，是非常具有前景的，對于智能產(chǎn)品的研究，依然存在大量需得以解決的難題?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的智能產(chǎn)品，可以實現(xiàn)大量人類需要花費大量精力才能完成的工作。例如采用紅外感應(yīng)技術(shù)實現(xiàn)家居防盜檢測、教室人數(shù)統(tǒng)計、圖書館座位是否空座等；例如采用無限通信技術(shù)實現(xiàn)智能家居的遠程操控、蔬菜大棚環(huán)境的遠程監(jiān)控、無線麥克風(fēng)等；例如GIS地理信息系統(tǒng)實現(xiàn)人們出行的智能導(dǎo)航、老人兒童的實時定位、物品運送實時跟蹤等。基于這些物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以研發(fā)出大量不同用途的智慧產(chǎn)品，在人類社會的各個角落發(fā)光發(fā)亮，使各種不可能變成了有可能。樹莓派是目前應(yīng)用在各種智能產(chǎn)品中最常使用的一種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，它是一種微型邏輯處理單元。由于社會發(fā)展的步伐與科學(xué)技術(shù)發(fā)展成正比，因此，各種新型材料的制造也越來越容易，其成本也得到控制，因此，樹莓派技術(shù)得到了推廣和應(yīng)用，走進家家戶戶。為了提高相關(guān)工作，基于開源硬件的高低壓開關(guān)室溫控制系統(tǒng)通過樹莓派進行數(shù)據(jù)傳輸。本次實現(xiàn)的基于開源硬件的高低壓開關(guān)室溫控制系統(tǒng)是在總結(jié)前人的工作以及傳統(tǒng)工作系統(tǒng)的不足，進而在更優(yōu)質(zhì)的選擇下達到工作目的。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)改變傳統(tǒng)工作的工作模式，通過更優(yōu)質(zhì)高效的計算機子系統(tǒng)的處理下，使得相關(guān)數(shù)據(jù)檢測工作變得人性化、智能化。簡化了傳統(tǒng)工作的復(fù)雜性，提高了效率。并且，基于開源硬件的高低壓開關(guān)室溫控制系統(tǒng)的實現(xiàn)也使得人們的生活質(zhì)量顯著提高，人們能在花費少量的時間和精力下，實現(xiàn)往常的等價工作，大大提高了人們的辦事效率。數(shù)據(jù)的及時性傳輸也能夠讓整個系統(tǒng)的即時性大幅度提高，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取不僅復(fù)雜，數(shù)據(jù)整理起來也不方便，有可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失等情況。但是，在物聯(lián)網(wǎng)計算機處理數(shù)據(jù)下，獲取的數(shù)據(jù)以及反饋也能減少不必要的錯誤，提高數(shù)據(jù)的精確性和準確性。并且在基于開源硬件的高低壓開關(guān)室溫控制系統(tǒng)的作用下，也能促使整個檢測技術(shù)的發(fā)展。1.2研究的現(xiàn)狀智慧產(chǎn)品的發(fā)展，無論是國內(nèi)還是國外都屬于備受關(guān)注的技術(shù)，由于智慧產(chǎn)品的發(fā)展，關(guān)系著一個國家的先進程度以及國民幸福度，因此，許多國家都將發(fā)展中心放在科技和創(chuàng)新上，不惜成本培養(yǎng)大量新型人才，致力于促進智慧產(chǎn)品的研發(fā)。發(fā)展至今，智慧產(chǎn)品已經(jīng)進入繁榮時期，涉足人類社會各個領(lǐng)域。隨著社會的進一步發(fā)展，相關(guān)硬件采集系統(tǒng)飛速的發(fā)展，所謂的溫度數(shù)據(jù)采集已經(jīng)遍布各行各業(yè)，家庭生活內(nèi)部等，我們能發(fā)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)采集無時無刻遍布在我們身邊。以及相關(guān)軟件系統(tǒng)的飛速發(fā)展，相關(guān)系統(tǒng)在開發(fā)過程中能夠能更加省時省力地進行。軟硬件的相互結(jié)合，能夠進一步促進物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)數(shù)據(jù)采集的發(fā)展，這也為我們整個采集行業(yè)的發(fā)展夯實了技術(shù)保障。提供了全方面的技術(shù)保障。但是，在這樣的環(huán)境下，也出現(xiàn)了一些問題，相關(guān)采集系統(tǒng)的成本較高，不能夠完全的落地實際需求，往往會出現(xiàn)相關(guān)采集和實際情況不匹配，不能夠完美的切合具體問題，并且其檢測的數(shù)據(jù)往往精度不高，不能夠?qū)崿F(xiàn)更為細致精確的數(shù)據(jù)測量工作，這也為人們的日常工作提供了不便。由于相關(guān)檢測設(shè)備的參差不窮，檢測設(shè)備的目的性質(zhì)參差不窮，能夠真正的符合本次需求分析的采集系統(tǒng)有少之又少。所有，如何能夠設(shè)計一款切合實際的基于樹莓派的傳感器遠傳檢測系統(tǒng)，這能夠大大有效的提高整個行業(yè)標準，也為相關(guān)的工廠單位、事業(yè)單位提供穩(wěn)固的保障。為了能夠進一步提高采集數(shù)據(jù)的快捷性和準確性，從數(shù)據(jù)的采集端進行穩(wěn)固的保障工作，能夠大大提高整個系統(tǒng)的工作性能。本系統(tǒng)通過樹莓派的控制，協(xié)調(diào)采集模塊的工作，通過編程實現(xiàn)整個模塊的邏輯處理順序，系統(tǒng)能夠在檢測到相關(guān)數(shù)據(jù)后進行自動化的工作。完全能夠?qū)崿F(xiàn)整個項目的需求。從而方便快捷的對數(shù)據(jù)進行監(jiān)控。減少人們的繁瑣工作有深遠的影響。1.3論文主要內(nèi)容與結(jié)構(gòu)（一）緒論：緒論為論文的第一章，通過相關(guān)資料的查詢，本次詳細闡述了基于開源硬件的高低壓開關(guān)室溫控制系統(tǒng)的背景和設(shè)計的意義、以及對基于開源硬件的高低壓開關(guān)室溫控制系統(tǒng)目前的研究狀況進行分析，接著是對研究主要的工作進行展開描述。（二）系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案：系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案為系統(tǒng)的第二章，本章分為四個部分，分別為設(shè)計需求分析、可行性分析、系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計以及核心技術(shù)的介紹，為后續(xù)的軟硬件展開描述打下了基礎(chǔ)。（三）硬件電路設(shè)計：硬件電路設(shè)計為系統(tǒng)的第三章，本章開頭描述了硬件設(shè)計的原則，主要闡述的是設(shè)計硬件時的一些注意事項。接著就是對本系統(tǒng)核心模塊的設(shè)計，包括其工作原理、電路連接以及在本系統(tǒng)的作用展開了詳細的闡述。（四）軟件設(shè)計：軟件設(shè)計為系統(tǒng)的第四章，本章主要分為四個部分，分別為軟件設(shè)計的思路、采用到的編程語言進行描述、接著是系統(tǒng)主流程圖的設(shè)計以及主要子程序的設(shè)計，采用了圖文結(jié)合的方式進行描述，可清楚了解軟件的設(shè)計流程。（五）調(diào)試與分析：調(diào)試與分析為本章的第五章，本章分為三個部分，分別為硬件測試、軟件測試以及測試之后進行整體的分析。2系統(tǒng)方案及設(shè)計2.1設(shè)計需求分析以樹莓派嵌入式軟硬件系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過樹莓派系統(tǒng)的GPIO硬件接口以及常用傳感器在樹莓派上的布置和操作實現(xiàn)溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)獲取，通過基于樹莓派客戶端的python編程實現(xiàn)遠傳傳感器數(shù)據(jù)，最終設(shè)計基于安卓的APP遠程讀取傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。最終的系統(tǒng)設(shè)計表明可以實現(xiàn)實時的數(shù)據(jù)遠程傳輸和顯示，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對存儲于數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)進行實時的回調(diào)顯示。為了更方便研發(fā)，我們可以將設(shè)計過程細分為以下幾個方面：1.選擇各模塊的電路，并以此來確保每一個模塊在工作時能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的功能。2.以樹莓派為中心，來進行每一個模塊的邏輯性鏈接，來實現(xiàn)本次設(shè)計的性能。3.選擇合適的傳感器，以達到我們對于數(shù)據(jù)的采集。4.為本次各個不同的模塊編寫控制程序的代碼，來實現(xiàn)我們預(yù)期的每一個模塊對應(yīng)的功能。5.對設(shè)計出來的產(chǎn)品進行調(diào)試，并檢查其功能是否正常，是否達到預(yù)期的功能。2.2設(shè)計可行性分析考慮到本系統(tǒng)設(shè)計的基于開源硬件的高低壓開關(guān)室溫控制系統(tǒng)不僅要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的檢測，以及數(shù)據(jù)的交互和處理，同時還要考慮到各個模塊之間的聯(lián)系和性能，為此本次的設(shè)計原則需要從以下幾點去考慮。適應(yīng)能力強：本次設(shè)計的基于開源硬件的高低壓開關(guān)室溫控制系統(tǒng)可能面對各種各樣的環(huán)境因素，所以系統(tǒng)適應(yīng)性就需要進一步去提高，如果因為環(huán)境原因而導(dǎo)致數(shù)據(jù)不能及時檢測和交互，那對于本次的核心自動化檢測那變得毫無意義，所以考慮性價比的同時也不能忽略各個模塊的性能要求。數(shù)據(jù)處理智能性：當(dāng)硬件連接完成，需要對軟件程序的編寫，在編寫數(shù)據(jù)采集和交互的時候，需要考慮到系統(tǒng)會因為程序的異常或者某個錯誤而有可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓，所以在編寫程序的時候就需要考慮這些情況并進行相應(yīng)的方式去彌補，從而才能提升整個系統(tǒng)的性能。數(shù)據(jù)的獨立性：本次設(shè)計的基于開源硬件的高低壓開關(guān)室溫控制系統(tǒng)是通過各個模塊的共同協(xié)助來完成的，在設(shè)計中不能局限于目前已有的設(shè)計，我們還需要提高整個系統(tǒng)的復(fù)用性，當(dāng)我們需要添加某一功能，就需要系統(tǒng)留有合適的IO口來連接，不僅硬件如此，在編寫程序的時候，模塊化的編寫方式對于查找錯誤、功能模塊的測試以及新增新模塊等來說都可以讓我們更直觀去編寫和查找錯誤，而且對于以后的開發(fā)來說，我們也不用大費周章的重新編寫，只需要把當(dāng)前的程序重新封裝好添加相應(yīng)的功能即可，對于系統(tǒng)的正常運作大大提高了性能。。2.3系統(tǒng)整體架構(gòu)分析本論文設(shè)計的系統(tǒng)，主要的實現(xiàn)流程是通過軟件控制終端發(fā)出控制程序指令，依托樹莓派系統(tǒng)，在通訊網(wǎng)絡(luò)中MQTT通訊協(xié)議，傳送給手機APP實時顯示。并將樹莓派傳輸?shù)臄?shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，進行實時的歷史數(shù)據(jù)獲取。2.4核心技術(shù)介紹（1）傳感器技術(shù) 傳感器技術(shù)在生活中已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用，它可以實現(xiàn)自動檢測和自動控制，并將檢測得到的數(shù)據(jù)進行處理。在本系統(tǒng)中，傳感器具備采集溫度，濕度的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理能力，它能按一定規(guī)律變換成為電信號，最終轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號，可在APP或者顯示屏上宏觀的展示出來。（2）云平臺技術(shù) 云技術(shù)是指在廣域網(wǎng)或局域網(wǎng)內(nèi)將硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)等系列資源統(tǒng)一起來，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的計算、儲存、處理和共享的一種托管技術(shù)，云平臺作為我此次設(shè)計的一個連接中樞，它能夠很好地進行數(shù)據(jù)的存儲，方便數(shù)據(jù)的管理，將硬件設(shè)備和軟件很好地連接了起來，本次設(shè)計我使用的是阿里云平臺。（3）APP開發(fā)技術(shù) 現(xiàn)在手機已經(jīng)成為主流，它在攜帶和使用上更加便捷，通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可實現(xiàn)隨時隨地查看各種數(shù)據(jù)。本次設(shè)計我使用的是安卓版的APP，通過AndroidStudio開發(fā)出APP界面的。3系統(tǒng)硬件電路設(shè)計3.1硬件設(shè)計原則硬件電路是一個系統(tǒng)的重要組成部分，對硬件的研究的是十分必要的，它重要影響著系統(tǒng)的功能是否得以實現(xiàn)。所以這次主要從以下幾個方面來考慮硬件電路的實施。

其一、為了保證硬件系統(tǒng)標準化，在設(shè)計電路時應(yīng)該盡可能地選擇使用一些經(jīng)典的電路，經(jīng)典的電路可以讓我們走前人走的路，更加容易上手，同時前人也出現(xiàn)過錯誤，在排查錯誤時可以借鑒前人的寶貴經(jīng)驗，為我們節(jié)約大量的時間。

其二、為了系統(tǒng)能夠平穩(wěn)運行，對系統(tǒng)的各個元件選擇要與系統(tǒng)的性能匹配，當(dāng)外圍電路過多時會造成系統(tǒng)的驅(qū)動能力不足，從而系統(tǒng)工作不平穩(wěn)，應(yīng)該減少降低芯片的功耗或者增加驅(qū)動能力，此外也要考慮系統(tǒng)的可靠性以及系統(tǒng)的抗干擾能力問題。

其三、對于硬件電路的設(shè)計，不能單獨只考慮硬件，硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)與應(yīng)用軟件結(jié)合在一起考慮，硬件結(jié)構(gòu)也會受軟件方案的影響，為了使硬件結(jié)構(gòu)更加簡化，降低功耗。軟件能夠?qū)崿F(xiàn)的功能，應(yīng)該由軟件部分來實現(xiàn)，但使用軟件來實現(xiàn)的話會增加CPU處理時間，降低工作效率，需要經(jīng)過合理地分析研究，才能設(shè)計出最佳電路。3.2樹莓派電路設(shè)計本設(shè)計采用樹莓派作為主控制電路。樹莓派是一款基于arm的微型計算機主板，以SD/microSD卡作為存儲硬盤。卡主板周圍有1/2/4USB接口和10/100以太網(wǎng)接口（a型無網(wǎng)絡(luò)接口），可連接鍵盤、鼠標和網(wǎng)線，此外還具有視頻模擬信號的視頻輸出接口和HDMI高清視頻輸出接口，樹莓派板子基本有涵蓋PC的所有基本功能。目前樹莓派由三家擁有生產(chǎn)許可證的公司生產(chǎn)，分別是element14/PremierFarnell、rscomponents和egoman。這三家公司都在網(wǎng)上出售樹莓派，它的系統(tǒng)基于Linux，raspberry是一個開源硬件平臺，包含許多Linux軟件，隨著Windows10IOT的發(fā)布，我們也可以使用運行Windows的樹莓派，同時樹莓派內(nèi)置了無線模塊，可以很方便地進行網(wǎng)絡(luò)連接。這些特性非常有利于本次設(shè)計的研究，本次設(shè)計中，相關(guān)器件被連接到樹莓派上，以獲得收集到的數(shù)據(jù)，并且可以通過設(shè)置的邏輯獲得下一個操作。下圖即為樹莓派的接口圖：圖3.1樹莓派接口圖3.3溫濕度檢測電路設(shè)計在本設(shè)計中將溫濕度傳感器DHT11接在樹莓派的供電和數(shù)據(jù)通信引腳實現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)的獲取。溫濕度檢測采用DHT11傳感器，該傳感器可以保證采集數(shù)據(jù)的可靠性以及運行過程中的穩(wěn)定性，無須時刻為傳感器的穩(wěn)定性而擔(dān)憂。該傳感器的優(yōu)勢也很明顯，超越其它同類傳感器很多，在該監(jiān)測系統(tǒng)中，DHT11是一個最佳的選擇，它擁有超快的響應(yīng)，可以快速的將檢測到的數(shù)據(jù)傳輸給樹莓派，還可以避免外界因素而帶來的干擾，從而減小誤差。DHT11在開發(fā)過程中，為了提高它的準確度，對其進行過一系列的操作和校準，同時將校準過程中收集到的一些相關(guān)數(shù)據(jù)存儲到它的內(nèi)部，所以檢測到的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后才會傳輸給樹莓派，這樣可以提高檢測到的數(shù)據(jù)的準確性。DHT11獨有的特點造就了它在多種場合的應(yīng)用，使得它的使用率遠超同類傳感器。DTH11傳感器的引腳使用說明如表所示。表DHT11的引腳說明引腳號引腳名稱類型引腳說明1VCC電源正電源輸入3-5.5V2DOUT輸出單總線，數(shù)據(jù)輸入/輸出3NC懸空空腳，擴展未用4GND接地電源接地3.4溫度控制電路設(shè)計該電路在本次基于開源硬件的高低壓開關(guān)室溫控制系統(tǒng)的設(shè)計中具有控制制冷片工作的功能。本次控制電路選擇采用繼電器來進行控制，當(dāng)檢測溫度過高時，繼電器就會打開，從而制冷片進行工作。繼電器是一種電控制器件，相當(dāng)于一種“開關(guān)”，在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉(zhuǎn)換電路等作用。其工作原理是當(dāng)輸入量達到規(guī)定值時，使被控制的輸出電路導(dǎo)通或斷開的電器。本次通過三極管來改變電路的輸入量，通過控制輸入量來對繼電器進行控制，當(dāng)主控制模塊采集到相關(guān)指令時，會控制三極管中電流的經(jīng)過量，從而控制繼電器的狀態(tài)，達到控制制冷片工作的目的。4系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1設(shè)計思路軟件的設(shè)計是本次設(shè)計實現(xiàn)的重要部分，在完成了硬件電路的設(shè)計后，下面進行的就是軟件設(shè)計的方面。本次設(shè)計涉及多個功能的實現(xiàn)，所以軟件設(shè)計的代碼量并不少，如果采用整體化的設(shè)計方案，不僅會導(dǎo)致程序的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜化，同時也增加了各功能代碼的耦合性，非常不利于設(shè)計的調(diào)試和后續(xù)的擴展功能。因此本次軟件的設(shè)計更傾向模塊化的設(shè)計方式，該設(shè)計方式讓整個程序的結(jié)構(gòu)變得清晰明朗，方便設(shè)計者后期的閱讀修改，極大程度提高了程序設(shè)計的效率，同時該方式降低了各功能設(shè)計的耦合性，在保證功能實現(xiàn)完整性的情況下，將一個大功能的實現(xiàn)最大化地分割成各小模塊功能的實現(xiàn)，因此，當(dāng)設(shè)計者在編輯一個功能模塊的邏輯時，另外的功能模塊也不會到影響，這保證了程序設(shè)計中的可靠性和高質(zhì)量性。確定了設(shè)計的方式后，下來就是詳細到設(shè)計各功能實現(xiàn)的方面，本次設(shè)計涉及到主程序的編寫、數(shù)據(jù)采集程序的編寫、數(shù)據(jù)傳輸?shù)木帉?、各功能方法的編寫等，在設(shè)計的過程中要注意好同步定義到硬件連接的端口，當(dāng)程序調(diào)用不成功時，要從出現(xiàn)的錯誤日志中去尋找報錯的地方，分析報錯的原因，并尋求解決的方法。如果說硬件的設(shè)計是本次設(shè)計的骨架，那么軟件設(shè)計就是本次設(shè)計的靈魂，其決定著本次設(shè)計的功能是否能實現(xiàn)，而設(shè)計者使用良好的設(shè)計方式去編寫出結(jié)構(gòu)優(yōu)良的程序，不僅是對本次設(shè)計功能實現(xiàn)的重要保障，同時也方便了后期的擴展和移植，更是提高了設(shè)計者的設(shè)計經(jīng)驗。4.2系統(tǒng)主流程設(shè)計系統(tǒng)運行工作就是對數(shù)據(jù)的檢測和處理，首先各模塊會實現(xiàn)初始化管腳信息，這有利于系統(tǒng)的后續(xù)操作以及機器自檢工作。當(dāng)系統(tǒng)通過相關(guān)傳感器采集到相關(guān)的數(shù)據(jù)信息后，進行實時打印顯示，并且通過手機APP顯示當(dāng)前的傳感器信息，手機app上的數(shù)據(jù)也實時更新。具體流程圖如圖所示：阿里云平臺（服務(wù)器）阿里云平臺（服務(wù)器）路由器APP顯示數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)庫調(diào)用溫度數(shù)據(jù)濕度數(shù)據(jù)結(jié)束樹莓派處理檢測到信號？MQTT通信實時打印顯示開始硬件初始化溫濕度傳感器采集數(shù)據(jù)服務(wù)器通信連接MQTT通信初始化圖4.1系統(tǒng)主流程圖4.3溫濕度采集流程設(shè)計本次設(shè)計需要完成當(dāng)前速度參數(shù)的采集和判斷，通過傳感器與樹莓派進行信號通信，輸入樹莓派可識別到的電平信號。首先需對傳感器的配置初始化，與處理器的IO對應(yīng)接口連通，隨后傳感器開始循環(huán)采集當(dāng)前的數(shù)據(jù)并傳遞給處理器，處理器接收后進行解析。該數(shù)據(jù)采集程序流程圖如圖所示。圖4.2數(shù)據(jù)采集流程圖4.3手機APP設(shè)計本次app的需求主要包含傳感器的數(shù)據(jù)顯示和歷史數(shù)據(jù)回調(diào)顯示。 阿里云該平臺可供用戶訪問和個性化配置，并且該平臺越來越多地被許多用戶使用和開發(fā)。用戶數(shù)量的迅速增加使該系統(tǒng)更加成熟，且操作系統(tǒng)基于Android，Android也是移動設(shè)備上使用最多的系統(tǒng)。所以本次的設(shè)計選擇了阿里云平臺的上位機系統(tǒng)。手機APP功能模塊圖如圖所示：APP的界面顯示APP的界面顯示顯示數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫連接，歷史數(shù)據(jù)調(diào)用網(wǎng)關(guān)通信連接成功顯示濕度數(shù)據(jù)溫度數(shù)據(jù)可根據(jù)需要顯示圖4.2APP功能模塊圖4.4MQTT通信流程本次設(shè)計使用的APP與阿里云之間的通信使用的是MQTT協(xié)議，MQTT（MessageQueuingTelemetryTransport，消息隊列遙測傳輸協(xié)議），是一種基于發(fā)布/訂閱（publish/subscribe）模式的"輕量級"通訊協(xié)議，該協(xié)議構(gòu)建于TCP/IP協(xié)議上，由IBM在1999年發(fā)布。 MQTT最大優(yōu)點在于，可以以極少的代碼和有限的帶寬，為連接遠程設(shè)備提供實時可靠的消息服務(wù)。作為一種低開銷、低帶寬占用的即時通訊協(xié)議，使其在物聯(lián)網(wǎng)、小型設(shè)備、移動應(yīng)用等方面有較廣泛的應(yīng)用，MQTT協(xié)議是輕量、簡單、開放和易于實現(xiàn)的，這些特點使它適用范圍非常廣泛，所以本次設(shè)計使用MQTT協(xié)議作為通信協(xié)議。實現(xiàn)MQTT協(xié)議需要客戶端和服務(wù)器端通訊完成，在通訊過程中，MQTT協(xié)議中有三種身份：發(fā)布者（Publish）、代理（Broker）（服務(wù)器）、訂閱者（Subscribe）。其中，消息的發(fā)布者和訂閱者都是客戶端，消息代理是服務(wù)器，消息發(fā)布者可以同時是訂閱者。MQTT傳輸?shù)南⒎譃椋褐黝}（Topic）和負載（payload）兩部分：（1）Topic，可以理解為消息的類型，訂閱者訂閱（Subscribe）后，就會收到該主題的消息內(nèi)容（payload）；（2）payload，可以理解為消息的內(nèi)容，是指訂閱者具體要使用的內(nèi)容。MQTT客戶端：一個使用MQTT協(xié)議的應(yīng)用程序或者設(shè)備，它總是建立到服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)連接。客戶端可以：（1）發(fā)布其他客戶端可能會訂閱的信息；（2）訂閱其它客戶端發(fā)布的消息；（3）退訂或刪除應(yīng)用程序的消息；（4）斷開與服務(wù)器連接。MQTT服務(wù)器：MQTT服務(wù)器以稱為"消息代理"（Broker），可以是一個應(yīng)用程序或一臺設(shè)備。它是位于消息發(fā)布者和訂閱者之間，它可以：（1）接受來自客戶的網(wǎng)絡(luò)連接；（2）接受客戶發(fā)布的應(yīng)用信息；（3）處理來自客戶端的訂閱和退訂請求；（4）向訂閱的客戶轉(zhuǎn)發(fā)應(yīng)用程序消息。 手機APP通信的流程圖如圖所示。是是否是否是否是是否開始是否收到消息是否注冊是否登錄是否已連接調(diào)用MQTT客戶端消息已發(fā)送調(diào)用MQTT客戶端發(fā)送消息調(diào)用MQTT客戶端出錯消息是否發(fā)送結(jié)束調(diào)用MQTT客戶端收到消息是是否按鍵是否按下獲取設(shè)備狀態(tài)按鈕調(diào)用MQTT客戶端出錯圖4.3APP通信流程圖（1）調(diào)用MQTT.訂閱：訂閱樹莓派發(fā)送給服務(wù)器的主題topic；（2）設(shè)備控制按鈕：根據(jù)需求添加控制按鈕；（3）調(diào)用MQTT客戶端發(fā)送消息：設(shè)備控制以及獲取設(shè)備狀態(tài)；（4）調(diào)用MQTT客戶端收到消息：對消息的解碼，復(fù)制后根據(jù)需求修改字符判定。5系統(tǒng)調(diào)試與分析5.1硬件調(diào)試完成系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)之后，接下來的一個重要步驟那就是硬件電路的調(diào)試。首先通過原理圖來查看電路連接順序是否錯誤，查看一些線路是否已經(jīng)完全連接在其相應(yīng)的管腳上，因為模塊需要加上線路多的情況下是非常容易連接錯誤的，接著需要借助萬能表來測試焊接電路是否能夠正確導(dǎo)通，用萬能表測試過程中如果萬能表的蜂鳴器正常響起那就說明是可以導(dǎo)通，反之就是不導(dǎo)通，有可能就是存在虛焊、焊接錯誤等問題，這時就需要仔細去排查，虛焊問題可以通過電烙鐵來重新焊接，焊接完成再用萬能表測試，蜂鳴器正常響起那就說明是焊接正確的，最后需要對電源進行測試，在給系統(tǒng)上電之前，需要對各個模塊承受電流的估量，可以借助穩(wěn)壓電源來進行測試，系統(tǒng)上電之后需要仔細觀察各個模塊的反應(yīng)是否正常，發(fā)現(xiàn)異常后，需要立即斷掉電源，正常運行一分鐘后，觀察系統(tǒng)整體反應(yīng)，正常運行就完成了硬件電路的測試。5.1.1硬件連接測試在整個系統(tǒng)開發(fā)完成后，首先要做的就是對硬件工作環(huán)境的測試。對其各個數(shù)據(jù)采集模塊進行回傳數(shù)據(jù)檢測，能夠成功的獲取而部分采集數(shù)據(jù)。本文設(shè)計的系統(tǒng)要在外界環(huán)境下進行工作，要對其管腳進行測試，在不同環(huán)境下進行數(shù)據(jù)的獲取，看是否會出現(xiàn)錯誤。以及管腳是否會出現(xiàn)松動，如果連接不牢靠，也會出現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)獲取的不成功。數(shù)據(jù)獲取的不成功，會直接導(dǎo)致后期工作的運行。對電路板的各個模塊要認真檢查，這樣才能保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定的運行下去。當(dāng)硬件系統(tǒng)的某個地方出現(xiàn)問題，也要用萬用表對其進行錯誤分析排查。硬件穩(wěn)定的工作環(huán)境是后面邏輯數(shù)據(jù)處理的前提。5.1.2硬件功能測試功能測試之前，需要對已完成硬件測試的所有硬件模組進行實物搭建整合，依照系統(tǒng)設(shè)計的電路圖以及焊接管腳材料說明書等參照，將所有硬件進行整合，確保系統(tǒng)整體連接順暢，信號接受良好，各個模塊配合工作的同時相互之間彼此獨立。系統(tǒng)功能測試用例與結(jié)果如表5.1所示。表5.1硬件模塊測試結(jié)果編號測試目標測試內(nèi)容測試結(jié)果1樹莓派模塊1．測試樹莓派是否可以正常工作成功2數(shù)據(jù)檢測模塊1.溫濕度傳感器是否正常工作成功3控制模塊繼電器是否正常工作成功5.2軟件調(diào)試在完成硬件測試后，接下來就是軟件測試了。借助編程軟件來打開程序，因為采用的是模塊化的開發(fā)方式，單個模塊程序放在一個文件里，最后通過直接調(diào)用一個主程序的方式就可以使用了，該方法大大提高了我們開發(fā)的進度，也方便了我們更好地去排查問題。運行程序后，注意查看是否會出現(xiàn)錯誤警告，當(dāng)出現(xiàn)錯誤的時候，需要根據(jù)編譯軟件提示的日志進行仔細盤查，日志里會顯示錯誤的具體行數(shù)，根據(jù)提示的行數(shù)，一行行去解決，多數(shù)的錯誤會出現(xiàn)在大小寫，標點符號以及括號是否對應(yīng)等小問題，這時候就需要很仔細去查看了，當(dāng)發(fā)現(xiàn)是程序出了問題，可查看是否是配置參數(shù)、變量或者聲明類型等常見類型的錯誤，嘗試去解決，解決不了，可以通過網(wǎng)上查閱資料、書籍搜索或者咨詢同學(xué)和老師的方式去解決這個問題。不斷嘗試、不斷編譯，當(dāng)出現(xiàn)零錯誤零警告才是軟件程序測試步驟的完成。5.2.1軟件測試方案本系統(tǒng)的對于軟件的測試方案選擇黑盒測試方法，這是針對于本次設(shè)計的人力物力財力以及開發(fā)時間的周期去考慮；首先我會規(guī)劃好一份測試計劃，針對于本次系統(tǒng)要測試的范圍，明確系統(tǒng)的所有功能，以及測試要達到的目標，簡而言之提出明確全面的要求；然后針對于這一份要求的各個點寫出一份對應(yīng)的測試用例，測試用例的范圍應(yīng)包含單元測試、集成測試以及系統(tǒng)測試，從底層到上層，從小模塊入手，根據(jù)測試用例一步步測試，并將結(jié)果記錄分析，直到系統(tǒng)最初設(shè)計的各模塊功能都實現(xiàn)后，基本初步確認軟件的完成。5.2.2軟件測試過程與結(jié)果（1）使用編程軟件完成代碼編程，代碼編譯，調(diào)試過程中出現(xiàn)顯示異常，出現(xiàn)亂碼，通過修訂代碼，編譯成功；（2）將編譯成功的文件下載到樹莓派上運行；（3）進行程序調(diào)試，觀察設(shè)計能否進行溫濕度的采集和顯示、數(shù)據(jù)過大會不會觸發(fā)溫控功能。（4）測試的結(jié)果如下：表5-2軟件模塊測試結(jié)果編號測試內(nèi)容測試結(jié)果1程序是否可以在樹莓派上正常運行成功2系統(tǒng)是否能檢測溫濕度的速度、對數(shù)據(jù)做出反應(yīng)成功3APP是否能顯示檢測的數(shù)據(jù)、查詢檢測的數(shù)據(jù)成功5.3整機調(diào)試分析完成硬件和軟件的調(diào)試之后，就是對系統(tǒng)的整體測試了，這時候需要借助程序下載工具來完成，在下載時，需要注意選好樹莓派型號芯片、串口號以及波特率,下載成功后，觀察基于開源硬件的高低壓開關(guān)室溫控制系統(tǒng)上出現(xiàn)的情況，接著對單個模塊功能分別進行功能測試，觀察是否成功實現(xiàn)功能，出現(xiàn)模塊未能成功實現(xiàn)，就需要去進行軟件結(jié)合硬件的測試了，直到找到問題并解決。經(jīng)過多次測試，本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)其基本的功能，供電穩(wěn)定，當(dāng)系統(tǒng)正常運行時能夠進行溫濕度數(shù)據(jù)的檢測、APP能進行數(shù)據(jù)的顯示、溫度值過高會觸發(fā)制冷片工作等功能。調(diào)試圖如下：圖5.1硬件調(diào)試圖圖5.2樹莓派調(diào)試圖圖5.3APP調(diào)試圖6結(jié)論當(dāng)進行到系統(tǒng)測試部分，并且能夠正常運行顯示的時候，就預(yù)示著已經(jīng)實現(xiàn)完最初設(shè)計的功能。本次設(shè)計的基于開源硬件的高低壓開關(guān)室溫控制系統(tǒng)，從選題到完成整個系統(tǒng)的開發(fā)，經(jīng)過了幾個月的時間，期間不斷去查找相關(guān)文獻以及詢問老師、舍友以及實現(xiàn)的學(xué)長學(xué)姐，經(jīng)過不斷的努力，最終完成了本次基于開源硬件的高低壓開關(guān)室溫控制系統(tǒng)的設(shè)計。經(jīng)過本次設(shè)計讓我對樹莓派技術(shù)、傳感器技術(shù)以及通信技術(shù)有了更好的研究。本次設(shè)計的基于開源硬件的高低壓開關(guān)室溫控制系統(tǒng)以樹莓派為核心，使用傳感器技術(shù)及硬件交互技術(shù)，通過傳感器將數(shù)據(jù)傳送到樹莓派上進行處理，樹莓派進行數(shù)據(jù)處理之后，進行對應(yīng)的操作，從而達到監(jiān)測環(huán)境和實現(xiàn)基本功能的目的。通過對系統(tǒng)的整體設(shè)計、硬件設(shè)計以及軟件程序的設(shè)計等等，每一塊的設(shè)計都讓我學(xué)習(xí)到了很多，硬件設(shè)計這部分，了解到了每個模塊的作用、IO口的功能以及其注意事項。軟件程序這部分，讓我了解到了程序規(guī)范的重要性，好的編程風(fēng)格能讓自己的代碼重復(fù)使用，本次基于開源硬件的高低壓開關(guān)室溫控制系統(tǒng)的研究，充分體會到了程序模塊化設(shè)計的便利性，最后經(jīng)過系統(tǒng)測試，從單個功能再到系統(tǒng)整體功能均得到了很好的實現(xiàn)，并且在數(shù)據(jù)響應(yīng)及時性、數(shù)據(jù)請求性以及數(shù)據(jù)處理能力等等，表現(xiàn)得都很好。當(dāng)然，本次設(shè)計也有很多不足之處，比如數(shù)據(jù)智能處理部分，沒能很好的進行數(shù)據(jù)的智能化處理，科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，更講究事物的智能化處理，所以未來可以在這方面更好的進行設(shè)計。參考文獻許禮捷，葛華，陳紅.基于樹莓派和Python的智能家居系統(tǒng)設(shè)計[A].沙洲職業(yè)工學(xué)院，江蘇張家港215600吳波濤,徐正峰,孫金衛(wèi).基于樹莓派的智能溫濕度監(jiān)控終端的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子設(shè)計工程,2018(22):190-193.PhilbinCA．零基礎(chǔ)學(xué)RaspberryPi［Ｍ］．北京：人民郵電出版社，２０１５．BradburyA．樹莓派Python語言編程指南［Ｍ］．北京：機械工業(yè)出版社，２０１５鳥哥．鳥哥的Ｌｉｎｕｘ私房菜基礎(chǔ)學(xué)習(xí)篇［Ｍ］．北京：人民郵電出版社，２０１０張立立，楊華，楊清格.基于單片機的室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[A]東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽110819)李文勝．基于樹莓派的嵌入式Ｌｉｎｕｘ開發(fā)教學(xué)探索［Ｊ］．電子技術(shù)與軟件工程，２０１４（９）．薛金水，楊吉.基于單片機的溫室溫濕度自動控制系