基于云平臺的物聯網溫濕度監控系統

劉嘯松

【摘 要】論文兼顧成本低、設備體積小、功耗低等因素，提出了基于OneNET云服務平臺的溫濕度遠程監測系統。采用Cortex-M3內核32位處理芯片STM32F103C8T6作為主控制器，采用GA6通信模塊，基于WiFi無線傳輸技術的搭載ESP8266芯片的ESP-01S通信模塊，結合傳感器 DHT11，實時采集數據，同時上傳數據至OneNET云服務平臺。搭載Web服務及終端APP能夠隨時隨地查看數據。

【Abstract】Considering the factors of low cost， small equipment size and low power consumption， this paper proposes a remote temperature and humidity monitoring system based on OneNET cloud service platform. This system uses the Cortex-M3 kernel 32-bit processing chip STM32F103C8T6 as the main controller， uses GA6 communication module， uses ESP-01S communication module with ESP8266 chip based on WiFi wireless transmission technology， and combines with sensor DHT11 to collect data in real time and upload data to OneNET cloud service platform.Web services and terminal APP can view data anytime and anywhere.

【關鍵詞】STM32F103C8T6;GPRS;WiFi;OneNET;云平臺

【Keywords】STM32F103C8T6; GPRS; WiFi; OneNET; cloud platform

【中圖分類號】TP319? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2019）07-0141-02

1 問題現狀

短距離通信技術中，無線數據傳輸模塊的傳輸誤碼率高，可靠性差;ZigBee以低功耗、自組網的特點而受到物聯網的關注，但是專用協議無線網絡，傳輸速率低，開發難;WiFi是以太網的一種無線擴展技術，用戶可以共享寬帶，但是其傳輸速率低，在此基礎上發展起來的WIGIG技術，傳輸速率可以達到1Gbps以上，但是不能穿過墻壁，且功耗高;藍牙技術已進入低功耗時代，能在包括移動電話、PDA、無線耳機、筆記本電腦、相關外設等眾多設備之間進行無線信息交換。但是這些短距離技術覆蓋范圍有限，對于大范圍或移動性布局的物聯網設備無能為力[1]。

2 解決方案

2.1 GPRS

GPRS允許用戶在端到端分組模式下發送和接收數據，而不需要利用電路交換模式的網絡資源，從而提供了一種高效、低成本的無線分組數據業務，和GSM通信網絡相比，技術特點如下：①資源利用率高;②傳輸速率高（64～128Kbps）;③接入時間短;④支持IP協議和X.25協議;⑤低成本，以通信的數據量為主要依據進行計費。

2.2 WiFi

WiFi最主要的優勢在于不需要布線，可以不受布線條件的限制，發射信號功率低于100mw，低于手機發射功率。WiFi具有如下技術特點：更寬的帶寬、更強的射頻信號、更低的功耗、改進的安全性。

3 設計任務

從覆蓋范圍、傳輸速率、基本業務類別、可移動速率、前向擴展、演進走向等多方面綜合分析，本設計提出一種基于WiFi和GPRS的DHT11溫濕度遠程監測系統，具有傳輸誤碼率低、成本低及覆蓋范圍廣等優點，并且可與監測人員的手機綁定，實現隨時、隨地地移動監測。設計主要內容包括：①利用嵌入式開發技術、TCP/IP網絡協議等，設計出了基于OneNET的環境監控系統，該系統以OneNET為協調中心，實現了環境變量檢測數據上傳，與控制命令下達的閉環控制系統。②設計開發了以HTTP協議為接入方式、以WiFi連接和GPRS網絡作為數據傳輸渠道的智能終端，外接溫濕度傳感器，使終端具有感知能力。③增加了電源對系統進行供電。

4 系統總體方案分析與設計

4.1 系統需求分析

溫濕度遠程監測系統是在物聯網下，可以通過PC、手機等移動設備端實時監測溫濕度值，能夠實時采集溫度和濕度，溫度的監測范圍為-20～+80℃，測量精度為±0.5℃，濕度的監測范圍為0%RH～100%RH，測量精度為±3%RH。系統的設計應用需求有系統低成本要求、系統低功耗要求、系統穩定性要求和系統實時性要求。

4.2 系統總體實現方案

系統的整體設計流程包括：①各種通信方案的比較、方案確定及傳感器選型;②系統硬件數據處理電路、低功耗方案確定、系統程序功能實現;③OneNet物聯網云平臺、API接口開發。

5 系統軟件設計

本系統的數據采集和發送使用的編程工具是C語言和Keil編輯器。在使用電腦或手機在服務端查看遠程監測的溫濕度系統時，嵌入式軟件必須與上文中的硬件系統緊密結合，從而實現溫濕度的實時監測。

5.1 系統功能實現流程

本系統設計采用接受OneNET云服務平臺指令，與定時器定時發送兩種方式來發送溫濕度數據。判斷是否連接上WiFi，當未搜索到默認WiFi時，可以由用戶連接ESP-01S的AP，通過訪問192.168.4.1對ESP-01S進行配置。若當前無法使用WiFi，則轉到STM32作為控制器的GPRS通信模式。進行系統初始化，包括所有外設的復位，定時器的初始化，配置系統時鐘，輸入輸出口的初始化，設置當前時間。然后通過“AT”指令與服務端口嘗試握手連接，保證指令能夠發送成功。判斷定時時間到或者收到發送指令時，獲取傳感器數據并發送給服務器，判斷數據是否發送成功，若發送成功，獲取當前時間并重新判斷。否則，重新獲取傳感器數據并發送到服務器。

5.2 DHT11數據處理

DHT11是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。DATA用于微處理器與DHT11之間的通訊與同步，單總線數據格式，單詞通訊時間為4ms左右，數據分小數和整數部分。

5.3 GA6模塊

數據的GPRS通信主要是對GA6模塊進行控制，主要包括握手程序、發送數據程序、數據監測服務程序等。

①握手連接。在與GA6模塊進行通信前需要先握手來判斷STM32與GA6模塊是否建立連接，以保證信息能夠傳輸成功。發送AT指令，如果返回值為OK則證明握手成功，否則程序無法往下進行而是繼續進行握手，直到成功為止。②AT發送數據。通過STM32的串口輸出AT指令來控制GA6模塊的相應動作，將模塊設置為透傳模式，這樣經過STM32串口發送的數據在模塊連接TCP成功之后可發送至模塊的串口上，模塊通過GPRS自動將這些數據發送至服務端，有利于控制軟件流程[2]。

5.4 ESP-01S模塊

程序的WiFi通信主要是對ESP-01S進行控制，主要包括配置WiFi、構建AP、處理和上傳數據三部分。

①配置WiFi。ESP-01S采用了事件響應的方式。ESP-01S可以設置自動連接，這里只需要調用固件庫中的函數就可以實現掉線重連，當配置的WiFi有效時，ESP-01S便能自動連入。可以結合監聽器用LED顯示連接狀態。②構建AP。ESP-01S在自身開放的AP局域網中的默認IP地址是192.168.4.1。給HttpServer添加中間件，當訪問'/scanap'時，使用wifi.sta.getap（）獲取AP列表再轉換到JSON格式返回。前端使用了輕量的Zepto.js來搭建前端頁面，通過AJAX來請求數據。③處理和上傳數據。溫濕度傳感器DHT11，通過對IO管腳的讀寫，讀取傳感器數據，并通過WIFIAPI將數據上傳到ONENET平臺。在init.lua腳本里面周期性通過dofile（）函數來調用dht11.lua函數來讀取數據。將讀取到的數據按照OneNET平臺HTTP API接口的要求打包成數據包，并通過WiFi上傳到云平臺。

6 結語

①關于WiFi模塊與DHT11模塊的測試。先通過手機或者電腦連接ESP-01S（微控制器）的AP，通關訪問192.168.4.1來對ESP-01S所要連接的WiFi進行配置。訪問前端Web頁面進行WiFi的連接。可以手動輸入密碼，也可以掃描熱點然后進行選擇。連接上WiFi后，ESP-01S會自動獲取并處理DHT11傳輸過來的數據，然后向OneNET云平臺進行數據傳送，在手機端和網頁端進行結果查看，預測結果為當前環境中的溫度與濕度。由數據可以看出，傳送的數據與環境中的數據大致相等，結果無誤。②關于GPRS模塊與USB轉TTL模塊的測試。GPRS模塊通過流量傳送數據，模擬DHT11測試的數據，傳送給GPRS模塊，通過AT指令發送至OneNET平臺。在手機與網頁端進行結果查看與預測結果接近。③關于STM32模塊、GPRS模塊與DHT11模塊的測試。先進行通信測試，電腦與STM32之間的通信成功，STM32能正確地將數據傳送給GPRS模塊，并發送到云端。但GPRS的數據回傳到STM32的數據稍有問題，不能很好地展示當前的狀態和執行的指令。可以從串口中打印的數據看到，GPRS可將接收到的數據發送到云平臺，不過會傳到STM32的數據只能顯示指令，不能顯示指令的處理結果。

【參考文獻】

【1】康華光.電子技術基礎（第五版）[M].武漢：華中科技大學電子技術課程組，2013.

【2】謝自美.電子線路設計·實驗·測試（第三版）[M].武漢：華中科技大學出版社，2006.