# 环境试验箱 WiFi 温控器应用方案

## 一、系统架构总览

```
┌─────────────────────────────────────────────────────┐
│ 云端/服务器平台 │
│ (数据存储 / 远程监控 / 报警推送) │
└──────────────────────┬──────────────────────────────┘
│ WiFi/MQTT/HTTP
┌──────────────────────▼──────────────────────────────┐
│ WiFi 温控器 (核心) │
│ ┌─────────┐ ┌──────────┐ ┌───────────────────┐ │
│ │ WiFi模块 │ │ MCU主控 │ │ 人机交互(屏/APP) │ │
│ └─────────┘ └─────┬────┘ └───────────────────┘ │
└──────────────────────┬──────────────────────────────┘
│ PWM / 模拟量 / 通信
┌──────────────────────▼──────────────────────────────┐
│ 执行机构层 │
│ ┌──────────┐ ┌──────────┐ ┌──────────────────┐ │
│ │ 加热系统 │ │ 制冷系统 │ │ 风机/循环系统 │ │
│ │(电加热管)│ │(压缩机组)│ │ (变频/定频风扇) │ │
│ └──────────┘ └──────────┘ └──────────────────┘ │
└──────────────────────┬──────────────────────────────┘
│
┌──────────────────────▼──────────────────────────────┐
│ 传感采集层 │
│ ┌──────────┐ ┌──────────┐ ┌──────────────────┐ │
│ │温度传感器 │ │湿度传感器 │ │ 过温/漏电保护 │ │
│ │(PT100/NTC)│ │(湿敏电容) │ │ (安全联锁) │ │
│ └──────────┘ └──────────┘ └──────────────────┘ │
└─────────────────────────────────────────────────────┘
```

---

## 二、硬件方案选型

### 2.1 主控芯片方案对比

| 方案 | 芯片 | 优势 | 适用场景 |
|------|------|------|----------|
| **方案A** | ESP32-S3 | WiFi+BLE双模、自带触屏支持、算力强 | 中低端试验箱、快速开发 |
| **方案B** | STM32F4 + ESP8266 | 工业级稳定性、独立通信 | 中高端试验箱 |
| **方案C** | Linux网关(瑞芯微RK3566) + WiFi | 支持边缘计算、大屏 | 高端智能试验箱 |

### 2.2 温度传感器选型

| 传感器类型 | 测温范围 | 精度 | 特点 |
|-----------|---------|------|------|
| **PT100铂电阻** | -200~+850℃ | ±0.15℃ | 工业标配，线性好 |
| **NTC热敏电阻** | -40~+300℃ | ±0.5℃ | 成本低，非线性需校准 |
| **K型热电偶** | -200~+1200℃ | ±1.5℃ | 高温适用，需冷端补偿 |
| **DS18B20** | -55~+125℃ | ±0.5℃ | 数字输出，单总线 |

### 2.3 WiFi通信模块

```
推荐方案：
├── 通信协议：MQTT / HTTP / WebSocket
├── 路由方式：直连AP模式 / STA连路由器
├── 加密方式：WPA2-PSK / TLS
└── 推荐模块：
├── ESP32-WROOM-32 (内置)
├── ESP8266 (ESP-12F/12S)
└── RTL8720 (低功耗)
```

---

## 三、软件与控制方案

### 3.1 温控算法架构

```
┌─────────────────────────────────────────┐
│ 温控策略层 │
│ │
│ ┌─────────┐ ┌─────────────────┐ │
│ │ PID控制 │◄──►│ 模糊自适应PID │ │
│ │ (基础) │ │ (进阶) │ │
│ └────┬────┘ └───────┬─────────┘ │
│ │ │ │
│ ┌────▼────┐ ┌──────▼──────────┐ │
│ │ 前馈补偿 │ │ 分段控制策略 │ │
│ │(加热/制冷│ │(升温/降温/恒温 │ │
│ │ 切换) │ │ 不同参数) │ │
│ └─────────┘ └─────────────────┘ │
│ │
│ ┌─────────────────────────────────┐ │
│ │ 安全保护逻辑 │ │
│ │ · 超温保护(独立硬件+软件双保险) │ │
│ │ · 传感器断线检测 │ │
│ │ · 制冷/加热互锁 │ │
│ │ · 压缩机延时保护 │ │
│ └─────────────────────────────────┘ │
└─────────────────────────────────────────┘
```

### 3.2 核心PID + 模糊自适应控制代码框架（ESP32示例）

```c
// ========== 温控器核心控制逻辑 ==========

#include
#include
#include

// ---- 硬件定义 ----
#define SENSOR_PIN 34 // PT100 ADC采样
#define HEATER_PIN 25 // PWM加热输出
#define COMPRESSOR_PIN 26 // 制冷继电器
#define FAN_PIN 27 // 风机PWM

// ---- 温控参数 ----
typedef struct {
float target_temp; // 目标温度
float current_temp; // 当前温度
float Kp, Ki, Kd; // PID参数
float output_limit; // 输出限幅 0~100%

// 分段参数
float heating_Kp, heating_Ki, heating_Kd;
float cooling_Kp, cooling_Ki, cooling_Kd;

// 安全阈值
float over_temp_limit; // 超温保护上限
float under_temp_limit; // 低温保护下限
} TempControlParam;

TempControlParam tc = {
.target_temp = 85.0,
.Kp = 15.0, .Ki = 0.8, .Kd = 30.0,
.heating_Kp = 18.0, .heating_Ki = 1.0, .heating_Kd = 35.0,
.cooling_Kp = 20.0, .cooling_Ki = 0.5, .cooling_Kd = 40.0,
.over_temp_limit = 100.0,
.under_temp_limit = -20.0
};

// ---- PID控制器 ----
typedef struct {
float integral;
float prev_error;
float output;
unsigned long last_time;
} PID_Controller;

PID_Controller pid = {0};

float pid_compute(PID_Controller *pid, float setpoint, float measured,
float Kp, float Ki, float Kd, float dt) {
float error = setpoint - measured;

// 积分限幅防饱和
pid->integral += error * dt;
pid->integral = constrain(pid->integral, -50.0, 50.0);

// 微分(带滤波)
float derivative = (error - pid->prev_error) / dt;
derivative = derivative * 0.7 + pid->derivative * 0.3; // 一阶滤波

pid->output = Kp * error + Ki * pid->integral + Kd * derivative;
pid->prev_error = error;

return constrain(pid->output, -100.0, 100.0);
}

// ---- 模糊自适应PID ----
float fuzzy_adjust_Kp(float error) {
// 根据误差大小自适应调整Kp
if (fabs(error) > 20.0) return tc.Kp * 1.5; // 大误差增大响应
else if (fabs(error) > 5.0) return tc.Kp * 1.2;
else return tc.Kp * 0.8; // 小误差减小振荡
}

// ---- 温度读取 (PT100 via ADS1115) ----
float read_temperature() {
// 实际项目中通过I2C读取ADS1115转换值
// PT100 R-T转换: R = R0*(1 + A*T + B*T²)
int16_t adc_val = ads1115_read(SENSOR_PIN);
float resistance = (adc_val * 4.096 / 32768.0) / 0.001; // 1mA恒流源
// Callendar-Van Dusen方程计算温度
float temp = (resistance / 100.0 - 1.0) / 0.00385; // 简化线性近似
return temp;
}

// ---- 主控制循环 ----
void control_loop() {
static unsigned long last_tick = 0;
unsigned long now = millis();
float dt = (now - last_tick) / 1000.0;
if (dt < 0.1) return;
last_tick = now;

tc.current_temp = read_temperature();

// === 安全保护 ===
if (tc.current_temp > tc.over_temp_limit || tc.current_temp < tc.under_temp_limit) {
digitalWrite(HEATER_PIN, LOW);
digitalWrite(COMPRESSOR_PIN, LOW);
// 触发报警
send_alarm("TEMP_OVER_LIMIT");
return;
}

// === 传感器断线检测 ===
if (tc.current_temp < -100 || tc.current_temp > 200) {
send_alarm("SENSOR_DISCONNECT");
return;
}

// === 判断控制模式 ===
float error = tc.target_temp - tc.current_temp;

if (error > 0) {
// 需要加热
float Kp_adj = fuzzy_adjust_Kp(error);
float output = pid_compute(&pid, tc.target_temp, tc.current_temp,
Kp_adj, tc.Ki, tc.Kd, dt);
analogWrite(HEATER_PIN, (int)output * 2.55); // 0-255
digitalWrite(COMPRESSOR_PIN, LOW);
}
else if (error < -2) { // 死区-2℃
// 需要制冷
float output = pid_compute(&pid, tc.target_temp, tc.current_temp,
tc.cooling_Kp, tc.cooling_Ki, tc.cooling_Kd, dt);
digitalWrite(COMPRESSOR_PIN, output > 0 ? HIGH : LOW);
analogWrite(HEATER_PIN, 0);
}
else {
// 恒温区间，PWM微调
analogWrite(HEATER_PIN, 0);
digitalWrite(COMPRESSOR_PIN, LOW);
}

// 风机始终运行
analogWrite(FAN_PIN, 200); // 固定风量
}

// ---- WiFi & MQTT通信 ----
WiFiClient espClient;
PubSubClient mqtt(espClient);

void mqtt_publish_status() {
StaticJsonDocument<256> doc;
doc["device_id"] = "ENV_CHAMBER_001";
doc["temp"] = tc.current_temp;
doc["target"] = tc.target_temp;
doc["heater"] = digitalRead(HEATER_PIN);
doc["cooler"] = digitalRead(COMPRESSOR_PIN);
doc["timestamp"] = millis();

char buffer[256];
serializeJson(doc, buffer);
mqtt.publish("env_chamber/001/status", buffer);
}

void mqtt_callback(char* topic, byte* payload, unsigned int len) {
StaticJsonDocument<256> doc;
deserializeJson(doc, payload, len);

if (strstr(topic, "set_temp")) {
tc.target_temp = doc["temp"];
pid.integral = 0; // 重置积分
}
else if (strstr(topic, "set_profile")) {
// 接收多段温度曲线
JsonArray profile = doc["profile"];
// 解析并存储到Flash
}
}

void setup() {
pinMode(HEATER_PIN, OUTPUT);
pinMode(COMPRESSOR_PIN, OUTPUT);
pinMode(FAN_PIN, OUTPUT);

WiFi.begin("SSID", "PASSWORD");
mqtt.setServer("broker.example.com", 1883);
mqtt.setCallback(mqtt_callback);
}

void loop() {
if (WiFi.status() == WL_CONNECTED) {
mqtt.loop();
}
control_loop();
mqtt_publish_status();
delay(500); // 2Hz采样控制周期
}
```

### 3.3 温度曲线编程（多段程序控制）

```c
// 温湿度试验标准曲线存储 (Flash/EEPROM)
typedef struct {
float temp; // 目标温度
float ramp_rate; // 升降温速率 ℃/min
uint32_t hold_time; // 恒温保持时间 (秒)
} StepParam;

// 示例: 高低温循环试验
// 步骤1: 常温 → -40℃ → 保持2h → 升温至85℃ → 保持2h → 循环
StepParam test_profile[] = {
{.temp = -40.0, .ramp_rate = 3.0, .hold_time = 7200},
{.temp = 85.0, .ramp_rate = 3.0, .hold_time = 7200},
{.temp = -40.0, .ramp_rate = 3.0, .hold_time = 7200},
// ... 循环
};

void run_temperature_profile() {
static int step = 0;
static uint32_t step_start = 0;

uint32_t now = millis() / 1000;

if (now - step_start > test_profile[step].hold_time) {
step = (step + 1) % (sizeof(test_profile)/sizeof(test_profile[0]));
step_start = now;
tc.target_temp = test_profile[step].temp;
}

// 速率控制: 限制每秒温度变化量
float max_delta = test_profile[step].ramp_rate / 60.0; // ℃/s
float error = tc.target_temp - tc.current_temp;
if (fabs(error) > max_delta) {
tc.target_temp = tc.current_temp + (error > 0 ? max_delta : -max_delta);
}
}
```

---

## 四、WiFi远程控制APP/Web界面

### 4.1 功能模块

```
┌──────────────────────────────────────────┐
│ 手机APP / Web界面 │
│ │
│ ┌──────────┐ ┌──────────┐ ┌────────┐ │
│ │ 实时监控 │ │ 参数设置 │ │ 历史曲线│ │
│ │ 温度/湿度│ │ 设定温度 │ │ 导出PDF │ │
│ │ 运行状态 │ │ 升降速率 │ │ │ │
│ │ 设备状态 │ │ 恒温时间 │ │ │ │
│ └──────────┘ └──────────┘ └────────┘ │
│ │
│ ┌──────────┐ ┌──────────┐ ┌────────┐ │
│ │ 程序编辑 │ │ 报警推送 │ │ 多设备 │ │
│ │ 多段曲线 │ │ 微信/短信│ │ 批量管理│ │
│ │ 一键下发 │ │ 声音提醒 │ │ │ │
│ └──────────┘ └──────────┘ └────────┘ │
└──────────────────────────────────────────┘
```

### 4.2 MQTT Topic 设计

```
# 订阅（APP → 设备）
env_chamber/{device_id}/set_temp # 设置温度
env_chamber/{device_id}/set_profile # 下发程序
env_chamber/{device_id}/start_test # 启动试验
env_chamber/{device_id}/stop_test # 停止试验
env_chamber/{device_id}/set_params # PID参数调整

# 发布（设备 → APP）
env_chamber/{device_id}/status # 实时状态
env_chamber/{device_id}/alarm # 报警信息
env_chamber/{device_id}/history/data # 历史数据
```

---

## 五、高低温箱分类与方案匹配

### 5.1 按温度范围分类

| 类型 | 温度范围 | 制冷方式 | 典型应用 | 控制难点 |
|------|---------|---------|---------|---------|
| **低温箱** | -20℃ ~ +150℃ | 单级压缩/复叠 | 电子元器件 | 低温段升温慢 |
| **高温箱** | +50℃ ~ +300℃ | 电加热 | 老化试验 | 高温段降温慢 |
| **高低温箱** | -70℃ ~ +180℃ | 复叠压缩+电加热 | 军工/汽车 | 宽范围切换 |
| **快速温变箱** | -70℃ ~ +180℃ | 液氮辅助/强力压缩 | 应力筛选 | 升降温速率5~15℃/min |

### 5.2 不同场景方案对比

| 场景 | 推荐方案 | 温度精度 | 升降温速率 | 通信方式 |
|------|---------|---------|-----------|---------|
| 小型恒温箱 | ESP32 + PT100 | ±0.5℃ | 1~3℃/min | WiFi直连APP |
| 标准高低温箱 | STM32+ESP8266 + PT100 | ±0.3℃ | 3~5℃/min | WiFi+4G双模 |
| 快速温变箱 | 工控机+PLC + 热电偶 | ±0.5℃ | 5~15℃/min | 以太网+WiFi |
| 大型步入式 | PLC+触摸屏 + PT100阵列 | ±1.0℃ | 1~3℃/min | Modbus+WiFi网关 |

---

## 六、安全保护设计（关键！）

```
┌──────────────────────────────────────────────────────┐
│ 安全保护体系 │
│ │
│ 层级1: 软件保护 │
│ ├── 超温/欠温软件限值 │
│ ├── 传感器断线检测 (开路/短路) │
│ ├── 压缩机过载电流检测 │
│ └── 通信超时看门狗 (断网自动停止) │
│ │
│ 层级2: 硬件保护 │
│ ├── 独立温度继电器 (双金属片/电子式) │
│ ├── 漏电保护器 (30mA) │
│ ├── 压缩机高低压保护开关 │
│ └── 加热管过流保护 │
│ │
│ 层级3: 机械保护 │
│ ├── 门开关联锁 (开门断电) │
│ ├── 泄压阀 (防爆) │
│ └── 接地保护 │
└──────────────────────────────────────────────────────┘
```

---

## 七、完整产品方案清单（BOM参考）

| 序号 | 部件 | 型号/规格 | 数量 | 参考价格 |
|------|------|----------|------|---------|
| 1 | 主控MCU | ESP32-S3-WROOM-1 | 1 | ￥15 |
| 2 | 温度传感器 | PT100 + ADS1115模块 | 2 | ￥30 |
| 3 | WiFi天线 | PCB板载天线/外置 | 1 | ￥5 |
| 4 | 继电器模块 | 4路5V光耦隔离 | 2 | ￥12 |
| 5 | 电源模块 | 220V→12V/5V 隔离 | 1 | ￥25 |
| 6 | 显示屏 | 2.4寸TFT ILI9341 | 1 | ￥18 |
| 7 | EEPROM | AT24C256 (程序存储) | 1 | ￥3 |
| 8 | 散热风扇 | 5V涡轮风扇 | 1 | ￥8 |
| 9 | 外壳/PCB | 定制 | 1 | ￥30 |
| **合计** | | | | **≈￥146** |

---

## 八、开发路线图

```
Phase 1 (2周) → 硬件打样 + 基础温度采集 + WiFi连接
Phase 2 (2周) → PID温控调参 + 基本远程控制
Phase 3 (2周) → 多段程序 + 安全保护 + APP开发
Phase 4 (1周) → 整机联调 + 环境适应性测试
Phase 5 (1周) → 认证(CE/FCC/3C) + 量产准备
```

---

> **总结**：WiFi温控器方案的核心是 **稳定的温度采集 + 可靠的PID/模糊控制 + 安全双保险 + 稳定的WiFi通信**。根据试验箱温度范围和精度要求选择合适的主控平台和传感器，高低温箱推荐使用 **PT100 + 独立安全继电器** 方案，在-70℃~+180℃宽范围内稳定运行。