基于STM32单片机的图书馆无线温湿度在线监测系统

admin

图书馆作为重要的文化场所，保存着大量珍贵的纸质文献资源。温湿度是影响纸质文献保存寿命的关键因素——湿度过高会导致纸张发霉，湿度过低会使纸张变脆，温度波动也会加速纸张老化。传统的有线监测系统布线成本高，且线路老化会影响监测安全性。因此，设计一套无线、实时、精准的温湿度监测系统具有重要意义。
系统总体设计

系统采用STM32单片机作为主控制器，整体架构包括：

• 数据采集层：使用DHT11温湿度传感器分布式采集数据
• 数据传输层：通过nRF24L01无线模块传输数据
• 数据处理层：采用基于最小二乘的加权数据融合算法
• 控制执行层：采用模糊PID算法进行温湿度调节
• 报警模块：当温湿度异常时触发报警
  
  

关键技术详解1. 数据采集与融合

系统采用DHT11数字温湿度传感器，具有成本低、灵敏度高、抗干扰能力强的特点。每个监测区域部署3个传感器，通过加权融合算法提高数据准确性：

Tz=∑i=1nTiωiTz​=i=1∑n​Ti​ωi​

其中T_i是第i个传感器的测量值，ω_i是权重系数，T_z是融合后的结果。

2. 无线通信模块

选用nRF24L01无线收发芯片，工作在2.4GHz ISM频段，具有以下特点：

• 支持250kb/s至1Mb/s的数据传输速率
• 最大传输距离可达158米(250kb/s,0dBm时)
• 功耗极低：发射时仅8mA，接收时11mA
• 支持ShockBurst技术增强抗干扰性
  
  

3. 模糊PID控制算法

系统采用先进的模糊PID控制算法，能够自动调节PID参数，实现精准控制。算法流程：

• 计算误差e(x)和误差变化率e_c(x)
• 模糊化处理
• 模糊推理
• 解模糊输出PID参数修正量
• 输出控制量调节环境温湿度
  
  

模糊论域分为7个等级：{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，通过不断推理模糊规则调整控制参数。

实际应用效果

在某大型图书馆古籍阅览室(328㎡)进行实测，分为东、南、西、北四个区域，每个区域部署3个传感器，设定标准值为22℃、55%RH。

测试结果：

• 温度检测误差均值最大仅0.05℃
• 湿度检测误差均值最大仅1.1%RH
• 控制响应时间<1.5秒
• 超调量极小(最大仅0.1℃)
  
  

系统优势总结

• 高精度：多传感器融合+模糊PID控制确保监测和控制精度
• 无线部署：避免布线难题，安装维护方便
• 快速响应：控制响应时间短，超调量小
• 低功耗：采用低功耗器件，适合长期运行
• 智能化：自动调节，异常报警，减少人工干预
  
  

此系统设计非常完整，从数据采集、传输、处理到控制形成了一个闭环，特别欣赏它的数据融合算法和模糊PID控制策略，既保证了监测精度，又实现了快速稳定的控制效果。nRF24L01的选择也很合适，在图书馆这种环境中既能保证通信质量，又兼顾了低功耗需求。