冷蒸发式物联网智能加湿器

潘庆华，康伟，马思炎，彭冲，邴莹，孙昊

（辽宁工业大学，辽宁锦州，121001）

0 引言

随着科学技术的迅速发展，人类社会不断进步。人们生活水平日益提高，而人们对生活要求越来越高，因此智能家居的出现，让众多人实现了高质量的生活。通过对市场的调查发现，加湿器的需求在日益增大，现在大部分建筑室内供暖方式采用地暖，采暖效果好，但从而引发了另一个问题：干燥。干燥的空气具有一定的危害。首先是易造成细菌的传播。其次，易造成身体水分过度流失，感染疾病，加速衰老。而目前，市面上最常见的是超声波喷雾式加湿器，这种加湿器虽然能快速提高室内湿度，但是其也有很多弊端，例如：对水质要求极高且喷出的是水雾可能引发呼吸系统疾病，从一定程度上影响了人们的健康。而本作品使用的是冷蒸发加湿的方式[1],规避传统加湿器的缺点，可通过语音和手机客户端等来对加湿器进行远程监控及操控。

本文首先介绍冷蒸发式加湿系统的整体设计方案，再对系统的硬件电路方案进行论证，然后对系统的程序进行设计，最后给出系统的调试与测试。

1 整体设计方案

整体设计框图如图1 所示，机械部分由电机提供气流，加速容器内水的蒸发，让水蒸气进入到空气中。电源管理系统由锂电池，升压模块和充电管理模块组成，给整个系统进行供电，支持内置锂电池工作，锂电池可由Type-c进行充电，且支持边充电边工作。

图1 整体设计框图

温湿度传感器、水位传感器等传感器，将检测得到的信号传输到单片机I/O 口，由单片机根据信号的变化（即电平的高低）判断外界环境的变化，然后根据内部设定的程序发出指令，控制机械部分实现相应的动作，并将采集到的相应数值显示在OLED 显示屏上[2]。触摸按键、红外接收模块、HC-08 低功耗蓝牙模块、ESP8266WI-FI 模块，在接收到用户发出的指令后，将相应指令的电信号输入到单片机I/O 口，然后单片机再经过内部处理程序，处理完毕后完成相应指令。

最后，考虑到细菌在滤网上滋生的问题，可能导致细菌掺杂在水蒸气中，随水蒸气而抛向空气中，从而影响用户的身体健康[3]，所以增添UV 灯杀菌功能。

2 硬件电路方案论证

■2.1 物联网单元方案论证

方案一：采用ESP8266-01 模块。该模块共8 个引脚，引脚数量较少。其次，其flash 闪存比较小，不能满足部分物联平台需求。

方案二：采用ESP8266-12f 模块。该模块引脚数量较多，一般最少是16 个引脚，I/O 口齐全，而且flash 闪存较大，能满足物联需求。

综上所述，为满足物联需求，择优选取方案二。

图2 ESP8266-12f模块

■2.2 温湿度采集单元方案论证

图3 DHT11 传感器模块

方案一：采用DHT11 传感器。DHT11 传感器包括1个电阻式感湿元件和1 个NTC 测温元件，并与1 个高性能8 位单片机相连接。采用单线制串行接口，使系统连接可以更简洁。功耗极低，信号传输距离可达20m 以上。DHT11 具有体积小、功耗低、响应速度快、抗干扰能力强、控制简单、性价比高等优点。

方案二：采用DHT22传感器。DHT22 也被称为AM2302，具有标准的单总线接口。其相比于DHT11，拥有更高的精度和更大的量程，是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。DHT22 应用于专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，能确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。

综上所述，但考虑到DHT22 传感器价格相比于DHT11昂贵许多，故择优选取方案一。

■2.3 水位采集单元方案论证

图4 ZCT-YOF07液位传感器

方案一：采用Water Sensor 水位传感器。Water Sensor 水位传感器是一款简单易用、性价比较高的水位/水滴识别检测传感器，其工作原理是通过具有一系列的暴露的平行导线线迹测量其水滴/水量大小从而判断水位情况。

方案二：采用ZCT-YOF07 液位传感器。ZCT-YOF07 液位传感器具有电子封胶，能一定程度上防潮、隔热，增加了传感器的使用寿命。其次本传感器是非接触柔性液位传感器，对被测环境要求不高。

综上所述，由于Water Sensor 水位传感器感器是接触式，并且非柔性对被测环境要求极高，故择优选取方案二。

■2.4 显示单元方案论证

图5 OLED 0.96 寸显示屏

方案一：采用LCD1602液晶显示屏。LCD1602是一种工业字符型液晶，能够同时显示16×02 即32个字符。LCD1602 液晶显示原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。

方案二：采用OLED 0.96 寸显示屏。OLED 屏幕作为一种新型的显示技术，其自身可以发光，亮度，对比度高，功耗低。OLED 0.96 寸显示屏分辨率为128×64，屏幕尺寸为0.96 寸，除了可以显示常规的字符、字母外，还可以显示汉字。由于其较小的尺寸和较高的分辨率，让它有着很好的显示效果和便携性。

综上所述，为了拥有更好的交互式体验和更好的的视觉体验，优先选取方案二。

■2.5 按键单元方案论证

图6 TTP223 触摸按键

方案一：采用轻触开关。轻触开关是一种常见的电子开关，使用时只需轻轻点按开关按钮就可实现开关的接通，当放开手时开关既断开。这样的工作特性，是由于电子开关内部结构必须靠金属弹片受力弹动来完成通断的。微动开关由于体积小重量轻，在家用电器方面得到广泛的使用。但微动开关也有它不足的地方，如频频的按动会使金属弹片疲劳失去弹性而失效。

方案二：采用TTP223 电容式触摸按键。电容式触摸按键的检测原理是通过RC 充电时间的变化实现的，其中最根本的原因是电容容量的变化。在周围环境不变的情况下，按键和大地之间的电容是一个很微小的固定值，由于人体和大地之间也存在着电容。故当手指靠近触摸按键时，就相当于触摸按键与大地之间的电容并联了人体与大地之间的电容，从而使总电容容量变大。

综上所述，考虑到轻触开关使用寿命较短，而触摸按键具有简洁，精美，使得产品看起来更加时尚，更容易获取当今用户的青睐，因而择优选取方案二。

3 软件程序设计

■3.1 主程序设计

如图7 所示，为主程序设计的流程图。在接通电源后，单片机开始工作，各模块进行初始化。水位传感器检测系统开始检测，若水位异常（即未注水或水量较少）加湿器处于待机状态，提示用户及时注水[4]。若水位正常，则检测与单片机I/O 口相连接的触摸按键、红外遥控、HC-08 蓝牙模块、ESP8266WI-FI 模块是否有输入，并将采集到的数据送显于OLED 显示屏和手机客户端。

图7 主程序设计流程图

触摸按键、红外遥控器（短距离传输）均可设置UV 灯开关、以及设置温湿度阈值，设置成功后系统便会根据用户下达的指令进行智能调控。或者，用户可通过APP 客户端（通过ESP8266 WI-FI无线传输）远程查看室内温湿度情况，以及控制加湿器开关。亦或者，用户可通过微信小程序客户端（通过HC-08 蓝牙传输）直接下达指令控制加湿器。

■3.2 数据检测程序设计

水位传感器位于加湿器水箱内壁，对水箱内的水量进行实时检测，并反馈于单片机，若水量低于额定水位，系统即判定为缺水，加湿器停止加湿，处于待机状态，并提示用户及时注水。

图8 APP 控制实例

图9 小爱同学查询实例

图10 微信小程序控制实例

温湿度传感器位于加湿器顶部的集成电路板内，可对用户房间进行实时的检测，并产生模拟信号传输给单片机，然后单片机进行一系列处理后，将采集到的数据反馈给用户，并控制加湿器对室内环境进行调节。

■3.3 客户端智能控制

3.3.1 APP 智能控制

本加湿器可以实现APP 远程查看室内环境状况，控制加湿器开关，以及定时、倒计时等功能；还可以添加到手机小爱同学、天猫精灵等第三方平台实现更为便利的查询、控制效果。智能加湿器具有很高的安全性、可靠性，使用方便灵活，适用于更多人群。

3.3.2 微信小程序智能控制

本加湿器还可以实现微信小程序端控制加湿器开关。小程序是一种无需下载安装即可使用的应用，满足当代年轻人的快节奏，即开即用，减少了下载、安装软件的繁琐操作。使用时只需打开微信，搜索并添加“智能家居云助手”小程序，即可使用。

4 系统实现与调试

如图11 所示，为上电工作状态下的冷蒸发式物联网智能加湿器实物图。利用此图实物进行测试:

图11 远程操控设备测试

测试项目：系统功能测试 系统安全性测试 APP 和微信小程序用户界面测试

(1)系统功能测试

首先对系统各个模块进行单独的测试，其中HC-08 蓝牙模块、ESP8266WI-FI 模块等模块均运行正常。在使用有效数据时得到了预期的效果，在使用无效数据时显示相应的错误警示。各项功能均使用正常，且对于测试人员操控简单，易用性很强。

(2)系统安全测试

在测试过程中没有遇到过伤害到测试人员的情况，系统安全性极高。

(3)APP 和微信小程序用户界面测试

在测试过程中各个显示页面均正常，可以准确反映相应的功能和需求。

5 结束语

本设计是一款具有实时监测、远程控制、UV 灯杀菌及水位预警等功能的物联网智能加湿器。机械部分由电机提供气流，产生循环风将液态水变成气态水，实现加湿效果，不会带来白雾、水垢，以及影响空气颗粒物浓度的问题。智能加湿器控制系统能在家中无人时，根据用户设置的预设值自行进行智能调控室内环境，用户也可通过手机客户端（包括APP、微信小程序）进行远程监测，以及人工调控。使加湿器真正的智能起来，就会给人们的居家生活带来诸多方便，从而进一步提高人们的生活质量。