嵌入式物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓

（江蘇徐工信息技術(shù)股份有限公司，江蘇 徐州221000）

隨著經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展和生活水平的不斷提高，人們已經(jīng)從物質(zhì)的滿足轉(zhuǎn)向?qū)ι钇焚|(zhì)的追求。而物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展迎合了人們的需要，比如智能電視，智能冰箱等等，人們可以在手機(jī)或者電腦等遠(yuǎn)程端直接對(duì)終端設(shè)備進(jìn)行控制和自動(dòng)化管理，從而打破了地域的限制，節(jié)省了大量時(shí)間。目前，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，作為物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)、嵌入式終端設(shè)備以及無線通信技術(shù)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)起著至關(guān)重要的作用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)先在OneNET 云平臺(tái)上創(chuàng)建屬于自己的公開協(xié)議產(chǎn)品，并添加設(shè)備、數(shù)據(jù)流模板和獨(dú)立應(yīng)用。然后選擇性能較好的STM32F107VCT6 嵌入式開發(fā)板作為控制設(shè)備，采用Wifi 的數(shù)據(jù)通信方式，將控制設(shè)備接入到云平臺(tái)創(chuàng)建好的產(chǎn)品。在此基礎(chǔ)上，將開發(fā)板上傳感器采集的數(shù)據(jù)上傳到OneNET 平臺(tái)，并設(shè)置報(bào)警部分。同時(shí)通過在產(chǎn)品的獨(dú)立應(yīng)用里添加的“開關(guān)”控件控制開發(fā)板上的LED 燈。通過獨(dú)立應(yīng)用里的柱狀圖、曲線圖等有效工具進(jìn)行實(shí)時(shí)展示。

2 平臺(tái)設(shè)計(jì)及通訊方式

系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇OneNET 云平臺(tái)，由于OneNET 云平臺(tái)提供豐富的硬件開發(fā)工具，API 接口以及多種通信協(xié)議。OneNET 云平臺(tái)支持以太網(wǎng)、WIFI、GPRS 三種通信方式，本次設(shè)計(jì)，相較于以太網(wǎng)和GPRS，使用WIFI 會(huì)更方便，所以系統(tǒng)采用ESP8266WIFI 模塊，開發(fā)板通過控制該模塊實(shí)現(xiàn)與云平臺(tái)的通信。

設(shè)計(jì)采用HTTP 協(xié)議作為硬件設(shè)備接入云平臺(tái)的通信協(xié)議，并用到了POST 和GET 兩種方法，STM32F107VCT6 開發(fā)板將獲取到的數(shù)據(jù)打包并按照J(rèn)SON 格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后通過POST 方法將數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)，在云平臺(tái)中相應(yīng)的數(shù)據(jù)流模板上就會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)流。同時(shí)，開發(fā)板控制ESP8266 模塊向平臺(tái)不斷發(fā)送GET 請(qǐng)求，以此來獲取平臺(tái)上“開關(guān)”按鈕的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)控制LED 燈的亮、滅（圖1）。

3 主要硬件連接與技術(shù)特點(diǎn)

3.1 STM32F107VCT6 開發(fā)板是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分之一，它的功能完善，綜合性高。主控芯片是基于ARM Cortex-M3 內(nèi)核的STM32F107VCT6，具有低能耗、處理速度快等優(yōu)勢，并且在處理能力以及其他方面已經(jīng)漸漸超越了ARM7，同時(shí)編程難度也有了一定程度的降低，程序顯得更加簡潔。該芯片增加了全速的USB 接口和以太網(wǎng)接口，工作頻率為72MHZ，內(nèi)部匯集了大量高性能的標(biāo)準(zhǔn)接口，能夠使用多種應(yīng)用，兼容性好。

3.2 ESP8266WIFI 模塊基于樂鑫公司開發(fā)的ESP8266 芯片，該芯片集成了Tensilica L106MHZ 的32 位微型MCU，內(nèi)置了TCP/IP 協(xié)議棧。同時(shí)，它還擁有板載天線、內(nèi)置10bit 高精度ADC 以及主頻支持80MHZ 和160MHZ 等特點(diǎn)。

3.3 ESP8266-01 模塊與STM32F107VCT6 開發(fā)板的連接，由于STM32F107VCT6 開發(fā)板上有ESP8266WIFI 模塊的接口，所以在實(shí)際操作的時(shí)候，直接將模塊插到板子上即可。ESP8266-01 模塊與STM32F107VCT6 開發(fā)板采用異步通信方式，在通信過程中，開發(fā)板通過AT 指令對(duì)ESP8266-01 模塊進(jìn)行控制，并使其連接上網(wǎng)絡(luò)。

3.4 DHT11 溫濕度傳感器與開發(fā)板連接，DHT11 溫濕度傳感器為三針單排引腳封裝，三個(gè)引腳分別為VCC，DATA（數(shù)字接口），GND。傳感器的DATA 接口要接到開發(fā)板的PC13 口，另外兩個(gè)引腳VCC 和GND 分別接到開發(fā)板的VCC 和GND 即可。該傳感器的工作電壓在3.3V-5V 之間。由于該傳感器的內(nèi)部自帶A/D 直接輸出數(shù)字量，所以在實(shí)際操作的過程中，并不需要外接其他部分。

圖1 通訊方式

3.5 光敏電阻傳感器與開發(fā)板連接，采用的是四線制的靈敏型光敏電阻傳感器，工作電壓在3.3V-5V 之間，四個(gè)引腳分別為VCC、GND、DO（開關(guān)量輸出）和AO（模擬量輸出）。在實(shí)際接線過程中，將傳感器的VCC 引腳接到開發(fā)板的3.3V 的VCC,將傳感器的GND 引腳與開發(fā)板上3.3V 的GND 引腳相連，然后將傳感器的DO 口接到開發(fā)板的PA6 口，AO 口不接。接線完成后，給開發(fā)板上電，傳感器就可以進(jìn)行光照采集了。

4 系統(tǒng)調(diào)試

4.1 數(shù)據(jù)流模板調(diào)試

由于本系統(tǒng)采用的是HTTP 協(xié)議，所以不論是上報(bào)數(shù)據(jù)還是獲取數(shù)據(jù)，報(bào)文的內(nèi)容格式都要用JSON 格式。本次測試使用POST 方法向平臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)。除了報(bào)文的格式要正確外，內(nèi)容里要填寫對(duì)應(yīng)的設(shè)備ID 和產(chǎn)品的API-Key。需要強(qiáng)調(diào)的是，Centent-Length（發(fā)送的內(nèi)容）要計(jì)算清楚，如果填錯(cuò)了，顯示的結(jié)果會(huì)報(bào)錯(cuò)。另外，在報(bào)文內(nèi)容的最后一行結(jié)束后，需要換行。報(bào)文如圖2 所示：

圖2 POST 報(bào)文

4.2 ESP8266-01 模塊測試

首先通過USB 轉(zhuǎn)TTL 模塊將ESP8266-01 模塊接入PC 端，正常情況下，ESP8266-01 模塊的TXD 引腳接USB 轉(zhuǎn)TTL 模塊的RXD 引腳，RXD 引腳接USB 轉(zhuǎn)TTL 模塊的TXD 引腳，其余引腳正常接即可。在接線完成后，要盡量保證電壓穩(wěn)定，既不可太大，又不可太小。供電不足，會(huì)導(dǎo)致返回結(jié)果為亂碼。調(diào)測采用的測試軟件是sscom5.13.1 串口調(diào)試助手。在給模塊供電后，打開串口調(diào)試助手。首先看COM端口，檢查模塊有沒有連接上，然后查看波特率，一般為115200。接下來，在輸入欄輸入AT指令A(yù)T+RST（ESP8266-01 模塊復(fù)位），點(diǎn)擊回車換行后，發(fā)送指令，串口助手界面返回的結(jié)果最后會(huì)有“ready”，中間可能會(huì)出現(xiàn)一些亂碼，但沒什么影響。界面最后顯示“ready”，表示模塊能夠正常工作。

4.3 模塊連接WIFI

在模塊連接WIFI 熱點(diǎn)時(shí)，有時(shí)可能不會(huì)一次就連接上，會(huì)出現(xiàn)多次連接的情況。這時(shí)，串口調(diào)試助手會(huì)顯示“WIFI 連接失敗，準(zhǔn)備重啟”，然后模塊會(huì)自動(dòng)重啟，重新連接WIFI，直至連接成功。如圖5.2.2 所示。如果串口調(diào)試助手一直顯示W(wǎng)IFI 連接失敗的話，可以給開發(fā)板重新上電，然后再次嘗試連接。

4.4 LED 燈模塊調(diào)試

系統(tǒng)可以對(duì)LED 燈模塊進(jìn)行調(diào)測，本設(shè)計(jì)選用開發(fā)板上的LED 等，在云平臺(tái)產(chǎn)品的獨(dú)立應(yīng)用里查看“開關(guān)”按鈕的狀態(tài)，假設(shè)開關(guān)處于“ON”的狀態(tài)，開發(fā)板接入云平臺(tái)后，板子上面的LED 燈是亮著的（這是上一次設(shè)備斷開連接前的效果），此時(shí)，點(diǎn)擊開關(guān)的“OFF”按鈕，應(yīng)用的界面會(huì)顯示“發(fā)送成功”，表示信息被發(fā)送到平臺(tái)的服務(wù)器，然后查看“開關(guān)”按鈕關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)流模板，數(shù)據(jù)值由“1”降到了“0”，與此同時(shí)，ESP8266-01 模塊也在不斷的發(fā)送GET 請(qǐng)求，詢問“開關(guān)”按鈕的狀態(tài)。

4.5 傳感器數(shù)據(jù)采集和上傳

HT11 模塊上有一個(gè)小燈，燈亮表示模塊正在正常工作。在給開發(fā)板供電后，數(shù)據(jù)就不斷被采集，并上傳到云平臺(tái)。此時(shí)觀察串口調(diào)試助手上的信息，溫度和濕度的數(shù)據(jù)會(huì)依次上傳。如果上傳超時(shí)，串口調(diào)試助手會(huì)顯示“ESP8266 接收數(shù)據(jù)超時(shí)”。如果數(shù)據(jù)上傳成功，數(shù)據(jù)流模板上的數(shù)據(jù)流就會(huì)更新。