基于STC89C52RC单片机和智能手机为主的简易智能家居系统

　　简易智能家居系统是人类在当前所寻求的个性化，高品质的生活环境，主要是将住宅当做渠道，装置智能家居系统，进而提高日常生活的稳定，便利，智能，高效与节约性。在上述系统中，一般把住宅区域当做平台，使用整体性布线科技、网络智能通信科技、智能家居和系统研发计划和安全预防科技、自动性管控科技、音视频的科技把日常环境相关的设施都统筹起来，进而创建稳定的住宅设施与综合事务性的监管系统，进而提高家居稳定性、方便性、艺术性，此外营造和谐和环保的生活环境，让大众在家中感受到幸福和快乐。

　　在进入二十世纪之后，伴随大众生活质量的提高，居住环境的质量要求慢慢成为人们关注的领域，“智能化”便引发很多科学工作者的更多思考，把它贯穿到小区住宅和建筑科技之中，使我们生活的环境更加人性化和便利性。

　　同时，使置身军营之中的我也有所思考，那智能系统对我们有多大意义呢？在独特的单位中，我们都了解到武器的封存，也就是把短时间或者长久不使用的武器进行合理的包装和相应的存放，进而避免因长期露天储存或着包装简陋而导致的锈蚀、受损和零件不合理受损，所导致的亏损与不可用问题，但是目前我们所分析的简单智能家居系统，主要目标是减少当前的维护费用、减少武器使用频次，进而增加使用时间、来保证武器能随时位于最佳状态，毕竟每年武器因为环境的不稳定而造成大量的锈蚀，损坏，安全受威胁，资金非必要流失，因此对于我们武器的如何能够完好保存的研究，是具有重大意义的。

　　经过相关资料的查询，简易智能家居系统的实现方式可谓多姿多彩，一般情况下智能家居系统通常可以分为两类：总线性与无线性系统。前者一般表示包含RS485、KNX、LONWORKS等在内的少数设施，通过提早布线来设计不同设备之间互联的弱电性系统，其中后者一般将ZigBee技术当做重点，主要部分是无线组网性通讯技术，然而总线性系统在运作时期，出现通信速率较低，通常只有9.6Kbps，此外模块数目较少等众多问题，调查过后，使用ZigBee技术时，通信速率较高，但是成本还是较为昂贵，通信稳定性也存在很多问题，在本课题中要求很高的自组网能力中显现的不如WiFi技术灵活有效，因此我将使用的是以无线WIFI模块为主的智能家居系统。

　　本文在研发智能家居系统时，首先考虑到的是如何把单片机的温湿度数据传送给智能手机的问题。经过调研和查询相关资料发现，传送数据可以有多种途径，但较为公认且可靠的技术为利用新兴发展的WIFI模块进行数据传送。因此，本课题既是，利用传感器采集温湿度，单片机将使用WIFI将数据传给手机，当温湿度出现异常，报警的同时，我们可以远程查看具体情况进行解决。

　　本课题需要完成以下任务：

　　设计一个简易智能家居系统，包含硬件、软件两个部分：

　　1）使用单片机当做主要处理器，调节各硬件功能；

　　2)利用无线wifi网络将数据共享到智能终端；

　　3)智能终端有随时远程设置温湿度阈值和接收数据，查看环境等功能；

　　第一章绪论。主要介绍本课题的研究背景和意义，进一步明确课题相关的具体要求及成果形式。

　　第二章系统方案的设计和论述。重点叙述具体的设计方案，硬件部分的选择、软件部分的功能设计。

　　第三章系统硬件设计。主要讲了硬件部分各个模块的设计方法与实施方案。

　　第四章系统软件设计。主要讲了硬件、软件部分的编程，设计流程与程序。

　　第五章系统实现与测试。主要讲了系统在实现过程中的制作流程及测试过程。

　　第六章总结展望。主要讲了在完成本课题中的一些收获与体会。

　　通过分析任务目标可以得出：本课题旨在设计一个智能家居系统，以较低成本实现温湿度的采集、处理，显示，并可以通过串口将显示的数据传送到连接的PE终端，而终端则具备一定的设定新的温湿度阈值性功能，也可以通过摄像头查看实地情况。本设计的主要结构图参考图2-1可知。

　　2.1.1温湿度采集模块

　　温湿度采集模块就是对温湿度这两个物理量的信号进行采集，然后通过相关一系列的程序，将信号转化为可直接读出来的数据，例如：将温湿度传感器放置于特殊的环境下，便可以立即感受出温度量以及相对湿度量。

　　然而，首先要解决的问题就是如何选择合适的温湿度传感器。经过网上查询相关资料，实地去电子市场考察，发现相关产品有很多，如图2-2所示，特点及功能指标差别相对不太大。结合自身的知识水平及实践能力，在教员的指导下进行了部分的筛选，经过实验最终确定了课题中使用的温湿度传感器的型号。

　　上图2-2为常见的一些温湿度传感器。当前选择的温湿度传感器是DHT11。图2-3 DHT11的管脚图、正面结构以及背面结构。

　　（a）管脚（b）正面（c）背面

　　数字温湿度传感器（DHT11）是涵盖已校准之后的数字性信号输出的温湿度复合性传感器，其中就涵盖电阻式感湿元件与NTC测温元件，此外也包含功能齐全的8位单片机彼此联系，所有DHT11传感器均利用在相对精准的温湿度校验室内经受校准，校准系数通过程序性方式存储在OTP内存中，其中内部部件在测试信号的处理时期需要调用上述准确的校准系数，精准度更高。单线制串行接口，提高系统集成便利性，提高综合效率，其体积不大、损耗较少，因此可以在传感器内普遍使用，显然，其通常使用数字性模块采集和温湿度传感技术，上述重要技术来可以保证产品具备较高的稳定性和长期性。总而言之，此产品效率高、性价比高，质量高、抗干扰性水平高等诸多优势，因此其逐渐变成恶劣环境中的首要选择。产品是三针单排引脚封装，连接相对便利。

　　2.1.2单片机芯片

　　在本设计中使用单片机当做处理的主要芯片，进而达成控制目标，单片机作为硬件部分的核心控件。有两种方案供选择。

　　方案1：可使用51系列的单片机当做主要控制器。

　　方案2：可采用凌阳系列单片机作为系统的处理器。

　　以上两种类型的单片机都可以实现我们所需要的控制功能。51系列单片机运算功能强并且技术成熟，开发较早。凌阳系列单片机对复杂的逻辑功能实现较好，体积小、稳定性高，器件集合程度较51系列较好。

　　由于本课题对信号处理速度要求不高（s级），核心算法也不复杂，综合价格、操作复杂度、以及现有编程环境等多方面考虑，采用51单片机做嵌入式处理器最适于本课题。基于综合性的考虑，所以选择了方案1，主要选择STC89C52RC单片机。

　　2.1.3显示模块

　　现有三种方案可供选择，分别为采用静态、动态、LCD的显示方法。第一种具备损耗大，体积大、硬件众多，同时需要占用串口来用移位寄存器输出。而动态显示相比于静态的模块，其显示内容众多,，损耗少,费用低，硬件制作性也简单，但美中不足则需占用14个端口的输出。LCD的显示方法取有以上两种的优点显示信息较多，满足了我们设计的要求。所以采用LCD1602液晶显示模块来输出相关信息。1602液晶如图2-4。

　　2.1.4通信模块

　　可用于通信的模块有很多，方案如下

　　方案一：使用蓝牙通信，它不容易受到干扰，并且可行性高，易于开发，但是蓝牙一般都工作在2.4GHz的频段所以距离不能太远，并且市面上常见的蓝牙模块也只是视距10米内，同时蓝牙协议的功耗也是很高的，专利费要求高，。

　　方案二：使用主流技术zigbee技术通信，掉线率不高，损耗少，组网水平高，费用少，安全稳定，工作频段相对自由，但是价格相对要昂贵很多，其协议占用的带宽对信道要求高，同时通讯距离短，环境适应性差，以及通信数据速率低。

　　方案三：使用wifi模块，具有更宽的带宽，更强的射频信号，功耗更低，安全性强，具有一定的移动性，同类设备连接很方便，通信距离最长，速率快。

　　综上所述，结合其它的有关了解和实际情况，并与教员进行沟通便选取了esp8266串口wifi模块。

　　2.1.5报警设计

　　由于本设计有需要，便利用单片机的自带蜂鸣器模块进行编程，设定一定阈值，在筹集的温湿度超出所设定正常阈值就会报警。

　　2.1.6监控器设计

　　由于为了经济实惠的需要选择较为理想的WIFI网络眼摄像头，这种摄像头，可以很方便的实现手机远程监控，可以通过语音交流，夜晚观察，使用红外，高清不模糊，通过插卡换卡，进行360度旋转录像，还可以移动报警。

　　2.2.1温湿度采集，LCD液晶显示，蜂鸣器报警，网关协议，串口通信程序

　　选用Keil平台进行构建，在C语言环境下，可以很好地采集温湿度，并且显示出来，超出阈值，报警顺畅，通过串口进行数据传输较通畅，过程中，语言较好学习掌握，编程环境也较为舒服，并且C语言有一定基础，好上手学习。

　　2.2.2手机APP的开发

　　基于Android studio平台框架，在JAVA语言条件下，创建APP，并实时与单片机通过模拟器通信，调试，过程中，软件安装较为繁琐，由于C语言有些基础，经过反复多次与教员沟通搜集大量资料，解决一个个问题，完成简易的app进行通信。

　　基于第二章中的设计方案，本章节分为温湿度采集、单片机芯片、液晶显示、通信模块、报警设计，监控器共六个模块，分别介绍各个模块的硬件结构与功能设计。

　　本课题主要使用DHT11模块。下面从该模块的电器属性、控制参数、数据信息流等方面做以简单介绍。

　　3.1.1管脚情况

　　在DHT11模块运行起来后，会接收到周围环境的温湿度情况。图3-1为DHT11模块在采集温湿度过程中，通过串口调试得到的一些原始的样例数据。

　　图3-1温湿度采集样例数据

　　3.1.3信号的传输格式

　　在串行的接口中，此处DATA通常是使用在单片机和DHT11间的同步和通信，一般使用单总线数据的格式，此处要求格式是：8bit温度的整数数据+8bit温度的小数数据+8bit湿度的整数数据+8bit湿度的小数数据+8bit校验和，其中在传输前，判断是一次正确的传输依据为：8bit校验和是否等于其他四位数据之和？单次通讯时间搭嘎是4ms，要进行一次数据传输需要40bit，此外传输时期高位优先输出。

　　控制系统内使用STC89C52RC型号，这是一款开发了很久很稳定可靠的芯片，总体技术已经相对成熟了，利用其串口可以很快的访问数据，对模块进行初始化，将数据传送，以及接收，其中用到的关键几个串口引脚以及作用如下：

　　通过串口的P2.0口访问温湿度传感器所收集的环境信息，经过处理交给显示器，P3.2口对WIFI模块中断请求，进行初始化过程进行复位，经过P3.1口将温湿度数据通过此串口发送给APP，而P3.0口则负责将APP发送来的数据进行接收。

　　LCD1602液晶显示模块共有16个引脚，下图3-2做出了详细说明：

　　Wifi模块选用的是ESP8266模块，上述WIFI模块价格不高，基本上是功能齐全的WIFI芯片，在多种智能硬件内被普遍使用，特别是依照其datasheet,支持SPI的时候，也能利用I2C，UART等形式开展通信，特别是对UART来说，就能支持目前所采用的AT指令，在一定程度上减少开发任务量，便于初学者进行操作，下图3-4便是AT模式的ESP8266引脚图。

　　报警器模块为经济，实惠，便利着想，选用本毕设中51单片机中自带的蜂鸣器，在蜂鸣器电路中主要包括一个220欧的电阻，三极管8550和蜂鸣器，如图3-5所示

　　蜂鸣器流程图

　　3.5监控器模块

　　手机通过WIFI或热点，使用专用的网络眼APP，连接摄像头，即可360度观看周围环境，在夜晚，通过红外也可以观看，同时有异常情况，可以马上通过它进行语音通话解决问题。

　　本部分重点叙述内部软件设计和完成，包括单片机软件系统设计和PE端APP的设计开发两个部分。其中单片机软件系统基于Keil C开发实现，PE端软件选择Android studio为开发平台，编程语言选择C++。

　　本部分使用Keil uVision4软件编程实现，以下简称Keil。系统中硬件部分的各个模块的运行程序的设计思路均基于Keil。Keil的语言环境为C语言，由于在前面几学期中有涉及此种语言环境，所以在编程中应该相对比较简单、好上手。在经过编辑程序、编译、连接、调试的流程之后。将生成的.hex文件通过stc-isp-15xx-v6.82E软件烧录进所选择的单片机，就可以实现程序到具体功能的控制。具体的系统调试还需要将整体的功能实现与所编写的程序的预想结果比较调整来不断改正。

　　4.1.1单片机控制核心软件设计

　　各软件要实现的功能主要有:

　　1）各个模块的初始化：温湿度采集模块初始化、LCD1602液晶显示模块初始化、蜂鸣器报警初始化，ESP8266传输初始化，终端APP初始化。

　　2）温湿度采集：扫描周围的环境，根据环境中的物理量，利用热力工程学理论计算出温度，此外依照气体内包含的水蒸气量和空气内相似条件下饱和水蒸气量的比值计算出湿度。

　　3）液晶显示：将采集的温湿度显示在液晶上

　　4）蜂鸣器报警：发现异常情况，即刻发出蜂鸣声，进行报警。

　　5）ESP8266传输：将采集的温湿度转化为字符串和TA指令，经过处理解析，以及包装在进行传送。

　　6）APP接收，设置：接收传来的温湿度，并可以根据需要随时更改报警阈值。

　　7）摄像头：查看环境的实际情况。。

　　这些功能按照需不需要周期运行可以分为两大类，其中各个模块的初始化，键盘扫描对周期要求不高，把他们按照模块化设计的思想放在main函数中，剩下的温湿度采集需要周期不停运行，把他们归到中断子函数中。

　　插上电源，打开开关，程序进入main函数，最先开展DHT11、LCD1602、ESP8266的初始化，通俗点说就是让他们处于准备工作的状态下，当初始化完成后，立即进入主循环中。在主循环中，始终对周围的环境进行检测，且把信息传送到LCD1602液晶上，立即呈现出来，通过蜂鸣器时，将所测数值与阈值进行比较，超出阈值则立刻报警，然后，通过ESP8266将数据字符进行处理，包装，用WIFI，将数据发送到连接的PE终端。到此，单片机部分的功能基本结束。

　　在以上描述的工作中，都是有关于main函数下的，与此同时，中断这部分程序也在紧锣密鼓地运行着，本系统用到的是单片机的串口终端。串口中断是此单片机五个中断当中的一个。在ESP8266接收数据功能出现异常时，接收信号到即进入中断，调用ATCOM程序使接收信号归零，复位后，刷新，以此再重新接收数据。如图4-2所示：

　　这样一来，不仅可以减少程序运行中的CPU使用率，还可以使程序在执行中不会出错、不会一直在一个地方等待，方便后期的程序优化与调试。

　　4.1.2温湿度数据采集

　　图4-3为DHT11模块的温湿度数据采集流程，在main函数中的定时器0的中断中，DHT11会每隔一段时间进行温湿度采集，对数据进行更新，在得到开始指令之后，DHT11就可以从低损耗性状态转变成高速状态，在静待主机开始信号结束以后，其也会马上反馈相应的指令信号，之后随之出现40bit的数据内容，此外也触发一次信息筹集，进而可利用上述选择性的读取少数信息，在DHT11得到开始信号之后，就触发温湿度信息的筹集，然而假如并未出现主机发送的开始信息，DHT11也无法自主筹集温湿度信息采集，在筹集到信息之后会随之变成低速模式。

　　在总线闲置状态为高电平时，主机需要将总线拉低进而等待DHT11响应，然而上述拉低需要超过18毫秒，进而确保DHT11可以测试起始性指令。在DHT11得到主机发放开始指令之后，在等待上述开始指令完结后，随之发送80us的低电平响应信号。在开始指令完结之后，会延时20-40us，读取DHT11回馈信号，之后主机发送开始指令之后，随之转换到输入模式，或者输出高电平，最终总线提高上拉电阻。

　　在总线为低电平时，此时表示DHT11发送响应信号，在DHT11发送响应指令之后，将总线提高80us，进而准备发放数据内容，每个bit信息全部是以50us的低电平时隙开始，其中高电平长短影响数据位是1或0.假如读取响应指令为高电平，此刻代表DHT11并未响应，要充电查看检查线路连接是否出现问题，在这儿曾经就出过问题。在最终bit数据信息传播结束之后，DHT11随之拉低总线50us，然后让其进入上拉电阻的拉高状态进而转入空闲局面。

　　4.1.3液晶显示

　　在温湿度数据读取出来后，即刻送给液晶显示。

　　LCD1602显示原理主要使用液晶具备的物理属性，利用电压对其显示区域实施管控，有电就会出现显示，显然在本人使用的液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）之前储存160个点阵字符图形，包括阿拉伯数字等，上述字符都存在固定代码，在得到代码之后，会马上呈现所筹集的信息。

　　在显示中运用不断更新的温湿度来动态刷新屏幕，使得数据不断更新，由于人眼的视觉会有一定的视觉暂留现象，所以只要屏幕的刷新频率大于人体的视觉残留情况，那么人们看到的就是静止显示跳动数字的温湿度。图4-4为实际操作中液晶屏幕上显示的温湿度格式样式。

　　4.1.4 ESP8266传送信息

　　在整个通信过程中，esp8266是WIFI热点，AT指令在互联互通中充当快递员，过程时期遵循TCP/IP协议，手机作为客户端，在之前通过电脑，设置好申请端口即IP地址，打开电源后，执行TA指令，在此之前选好了WIFI的应用模式是AP模式，在单片机采集好温湿度后，便给ESP8266信号，ESP8266便对数据用TA指令进行处理，包装传送给手机APP。

　　4.1.5蜂鸣器模块

　　设计的蜂鸣器报警模块重点目标是在测试数值高于阈值时，进行报警。由于实际情况需要，系统内使用有源蜂鸣器，因此不管是温度还是湿度超过阈值范围的时候都会出现报警信息。告知职员此刻出现不正常问题，需要调节。

　　PE终端软件部分的编撰在Android Studio环境中开展。Android Studio是当前技术中，相对便利的开发环境，本系统设计中运用到的语言为JAVA，与前面所掌握的Ｃ语言有很大的相通之处，比较容易上手，编程逻辑易于理解，非常便于开发和调试。

　　在PE终端，系统设有三大功能，首先是串口通信，收取硬件部分发送过来的温湿度数据，其次为设置温湿度阈值，最后为反馈回单片机，设定新阈值，以此达到随时监测好环境的温湿度状况。

　　4.2.1 PE终端接收数据

　　基于intelliJ IDEA语言，在Linux,Mac OS X,Windows软件工具上，读取JAVA语言程序，通过WLAN的连接，打开APP，接受TA指令，数据进行解析，将BCD二进制码转化为我们所熟知的十进制码，然后在系统框体中显示，显示实时的温湿度，同时在第一次连接时，会自动回馈预设温湿度阈值，温度40，湿度80.其中新接收来的数据不断更新代替原来的数据。如下图

　　4.2.2 PE终端设置新阈值

　　通过ESP8266这个热点使单片机和手机进行通信，通过手机APP可以设置新的温湿度阈值，把阈值信息转化为TA指令，利用热点ESP8266传送给单片机，在将其转化为数据代码则会使得LCD1602显示新阈值,在温湿度过高时，随之出现警报，APP所显示的实际温度会显示红色进行提示。

　　首先进行的是系统硬件部分的信息搜集与选定，将所需的硬件部分的器件购买回来，检查分类后，按照系统原理图进行各个器件的连接，图5-1为系统的原理图。在连接中要注意串口的分类，管脚的具体作用以及实现的功能.

　　在系统设计好后，按照图5-1系统原理图中的器件连接方式将硬件连接好，硬件部分的整体实物图如图5-2所示：

　　然后是硬件部分的编程，将各个器件、模块的功能提前统一设计好，进行逐个功能模块的编程，最后再结合手机APP，看整体系统的实现情况。理论与现实总是拥有一定差距的，设想的部分可能在实现中会有所变化，这就需要进行系统测试。

　　在连接后，需要对一些关键器件进行提前调试，避免接触不良导致短路或器件坏掉等情况。对传感器，蜂鸣器、变压器,ESP8266进提前检查，对液晶、单片机，APP进行调试，检测是否可以正常运行。然后在程序编写中，对逐个器件的功能进行编程时，一个一个功能进行调试，在编好一个功能的程序后就先烧录进单片机进行检查，可以借用万用表进行电压的检测，也可以用串口助手接收字节检查发送、接收功能是否正常。

　　在调试APP与单片机的通信是最为重要的，是本毕设中顺利进行的重点，仅仅用android开发平台上面的模拟器来测试，运行速度经过测试太缓慢，同时容易出现数据丢失，因此我直接选择在真实的手机上进行所有程序的调试，第一设定本人android手机是USB调试的模式，然后用USB连接好手机和计算机，当然在这一步就要安装手机得出驱动程序，在确定了连接成功即检测到达手机设备，此后设定应用程序是对应的调试状态，再执行真机的调试操作，在调试时，我们可以通过计算机Android studio的DDMS，搭建起IDE与其测试终端的链接，然而不同应用具有单独的端口监听调试数据，此刻DDMS能高效的监测测试终端的所有连接状况，所以，在出现新测试终端连接之后，其会查找到终端ID信息，此外利用abd创建调试器，在这过程中，如果出现错误就注意要重启abd工具，我之前就遇到过这样的情况，进而发射指令随之完成预期测试目标，在监听时期，查看首个终端APP进程的端口是8200，此时APP进程会分配8201，后面一次顺序类推，

　　在硬件部分整体测试接收时间情况良好时，打开手机WLAN，手动连接ESP8266的热点与我们平时连接的差不多，后面打开APP就会通过手机反馈回温湿度阈值，温度40，湿度80，当然可以更改设置新的阈值，但是传输时会发现有最多两秒的延时，出现温湿度超过阈值，手机收到的值会变红报警，此时即可通过热点连接监控器，观察周围具体实际情况。

　　在整体硬件部分连接，编程结束后，进行整体的系统调试，检测硬件部分是否正常。随后再对PE终端的软件进行调试合格后，将整体的系统运行起来，记录时间，观察整体现象，来调试功能。图5-7为系统整体测试情况。测试情况良好，硬件部分可以成功的感受到周围温湿度情况，显示温湿度，并且报警和传送，接收信息，软件部分也可以接收，发送过来的数据，设置新的阈值，红色报警提示，以及远程观察周围环境。

　　本课题所设计的简易智能家居系统，通过软件和硬件的结合，基本达到了设计要求。

　　本系统采用了STC89C52RC单片机作为中央核心处理器，C语言的编写环境使得在编程中简单，以容易上手。在进行设计的过程中通过在网上和图书馆查阅资料，了解了单片机的基本原理、基本结构及在生活中使用时的便捷之处，还有其他的器件的优缺点都有所掌握。回顾了大学期间学习的知识，也掌握了新的东西。将知识与实践联系起来，对自己的能力与智力方面是极大的提高。

　　系统完成后可以对日常生活环境有一个实时的检测，同时对我们部队的武器装备的保存环境也有重要意义，可以随时，在一定范围内对装备环境有一个确切的了解，监控装备的完好情况，以此使我们的装备能够更长久的保存好，不仅节约了军费开支，更是保存好了战斗力。

　　同时，自己也在系统的设计制作中收获颇多，在连接工作中，必须耐心谨慎，只有如此才可以得到预期效果。也可以进一步提升个人的综合能力。在整个设计过程中程序编写锻炼了自己的逻辑思维，必须先有个清晰的思维、强烈的目的性才会知道努力的方向，编写的目的。还要在编写的过程中不时停下来思考，重新整理好思维，这在以后的思维及工作中都是宝贵的经验。

　　由于时间仓促，再加上作者水平有限，本文不免有很多错误，恳请各位读者批评指正。

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　　[19]欧阳燊.《Android Studio开发实战从零基础到App上线》北京：清华大学出版社2017年

　　本课题研究的顺利完成应感谢张海静教员的孜孜教导和细致要求，她帮助我完成了单片机入门知识的学习，基本理论知识的构建，设计思路的调整、启发。并在课题研究过程中给予了很多关键性的建议和帮助。同时还要感谢闫四海和宋小衫教员的热心帮助和支持，他们对我的求助积极回应并传授了我很多很实用的设计经验。另外还要感谢营队的大力支持，保证了我可以有充足的时间完成毕业设计。最后郑重感谢给与我理解和支持的同学们，他们不计较我因为毕设时间紧加班对他们正常就寝生活的影响，对自己能力所及的帮助毫不吝啬。感谢所有帮助我的人！