基于物聯(lián)網(wǎng)的低功耗溫濕度采集系統(tǒng)

李紅

（福建省華廈能源設計研究院有限公司 福建福州 350001）

0 引言

隨著科技水平的不斷進步，不僅僅是工業(yè)上開始推行智能化，智能化的“云家居”逐漸走入人們的家中，“云家居”這個概念也逐漸被人們所了解。“云家居”運用的物聯(lián)網(wǎng)（IOT）技術，即物物相連技術，是通過各種傳感器支撐起來的一種新興技術。隨著社會的發(fā)展，這一技術對于人們的日常生活愈發(fā)的重要起來，越來越多的互聯(lián)網(wǎng)廠商開發(fā)出了自己的物聯(lián)網(wǎng)“云家居”產(chǎn)品，實現(xiàn)了遠程讀取數(shù)據(jù)、遠程控制，為客戶提供個性化服務。小米公司積極發(fā)展生態(tài)鏈企業(yè)，組成了一個比較完整的“云家居”生態(tài)鏈。溫濕度檢測［1］在工業(yè)、生活中均有著重要的應用，在很多情況下需要對較大的空間進行多個點的測量，這給溫濕度傳感器的可分布式、低功耗提出了一定的要求。傳統(tǒng)的溫濕度傳感器主要有水銀式和電子式。水銀式溫濕度計精度比較高，但是需要人工到溫度計前進行讀取，采集數(shù)據(jù)后人工錄入系統(tǒng)。電子式溫濕度傳感器實現(xiàn)自動讀取，但是電子式溫濕度遠程監(jiān)測系統(tǒng)有布線復雜、采集速度慢等缺點［2］，或者需要插在220 V 市電插座上，影響布放傳感器的靈活性，極大限制了應用場景和應用范圍。市面上便攜式以及采用低功耗設計的遠程溫濕度傳感器少。同時單片機和大規(guī)模集成電路的應用，出現(xiàn)了高性能、高可靠性的單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［3］。近年來，WiFi 技術［4］已經(jīng)走進了千家萬戶，所以出現(xiàn)一款低功耗、模塊化、基于物聯(lián)網(wǎng)技術的溫濕度傳感器有著非常重要意義。

根據(jù)實際需求，本系統(tǒng)擬采用STM32F103C8T6［5］單片機做為主控芯片，其較豐富的STM32 固件庫［6］可以方便我們開發(fā)，特別是低功耗模式可以很方便地實現(xiàn)低功耗功能。數(shù)據(jù)采集模塊采用DHT11 溫濕度傳感器［7］模塊，外部通訊模塊采用成本較低的ESP8266-01S WIFI 模塊［8］實現(xiàn)，云服務器采用了百度智能云服務器，UI 界面采用比MFC 優(yōu)化更好的QT5 來繪制［9］。STM32F103 的低功耗模式采用停止模式［10］來降低系統(tǒng)的功耗。

1 系統(tǒng)總體設計

本設計的總體框圖如圖1 所示，由圖可知系統(tǒng)整體結(jié)構分為3 個部分：①下位機部分，以STM32F103C8T6 為控制核心，由溫濕度傳感器ESP8266-01S WIFI 模塊組成；②云服務器，下位機數(shù)據(jù)傳送給云服務器再傳給上位機；③上位機有多個平臺的顯示，有PC 端和手機端，均可以顯示消息記錄、數(shù)據(jù)庫信息以及畫出數(shù)據(jù)的折線圖。系統(tǒng)是一個比較完整的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，模塊性強，可以后期接入到更大更全的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，實用性強。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 下位機軟件總體設計

（1）下位機軟件整體結(jié)構。該系統(tǒng)使用STM32F103C8T6進行下位機的開發(fā)。系統(tǒng)首先進行復位初始化，初始化系統(tǒng)時鐘以及系統(tǒng)I/O、中斷和RTC 實時鐘。而后進行ESP8266 的初始化，WIFI 模塊由MCU 通過串口通信發(fā)送AT 指令進行控制，初始會設置為站模式，連接上當前環(huán)境的WIFI 熱點，并且設置為透傳模式。以上步驟完成后發(fā)送命令連接云服務器，連接完成后發(fā)送命令訂閱主題，訂閱完成后LED 燈閃爍提示完成。初始化完成的外部中斷負責切換停止模式。如果不進入停止模式，則3 s 獲取并且發(fā)送一次數(shù)據(jù)；如果是進入停止模式，則2 min 30 s 獲取并且發(fā)送一次數(shù)據(jù)，LED 燈亮暗來提示當前狀態(tài)。溫濕度傳感器則由傳感器通信協(xié)議獲取溫濕度的實時數(shù)據(jù)。整個下位機軟件結(jié)構如圖2 所示。

圖2 單片機軟件的結(jié)構體圖

（2）系統(tǒng)的總體程序流程圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)流程圖

STM32F103C8T6 單片機主要是工作在單線程中，所以在初始化中有一個循環(huán)來保持單片機的持續(xù)工作。為了處理時鐘和外部摁鍵等信息，運用了中斷這個重要的處理機制。在停止模式時，需要RTC 中斷和外部中斷來喚醒停止模式，使單片機繼續(xù)運行接下去的代碼。

2.2 下位機主要軟件模塊設計

（1）低功耗模式以及RTC 時鐘喚醒程序設計。該系統(tǒng)選擇了低功耗模式中的停止模式來減小系統(tǒng)的功耗，接下來結(jié)合代碼來實現(xiàn)停止模式。

在STM32 程序的函數(shù)中加入stm32f10x_pwr.c 這個系統(tǒng)庫，以及加入#include “stm32f10x_pwr.h”，調(diào)用其中的void PWR_EnterSTOPMode（uint32_t PWR_Regulator，uint8_t PWR_STOPEntry）函數(shù)來進入停止模式：第一個參數(shù)填寫PWR_Regulator_LowPower，設置為低功率模式下帶有調(diào)節(jié)器的停止模式，第二個參數(shù)填寫PWR_STOPEntry_WFI，設定為任意一個中斷就可以喚醒停止模式。所以最后的代碼如下：

RTC 時鐘［14］是STM32 系統(tǒng)內(nèi)部的時鐘［15］，可以進行倒計時。倒計時結(jié)束后可以產(chǎn)生中斷，這個中斷用來“喚醒”停止模式，繼續(xù)執(zhí)行主函數(shù)里的代碼，具體實現(xiàn)如下：

調(diào)用庫函數(shù)來初始化RTC 時鐘，并且初始化RTC 時鐘中斷響應函數(shù)。在RTC 時鐘進入中斷后，清除中斷標志位和中斷源［16］，RTC 中斷源為EXTI_LINE17，重新開啟系統(tǒng)時鐘以及之前被關閉的外設，系統(tǒng)恢復正常，繼續(xù)執(zhí)行代碼。

在停止狀態(tài)時，顯示狀態(tài)的LED 燈會熄滅。在每3 s 發(fā)送一次的狀態(tài)時，LED 會亮起。

（2）ESP8266 程序設計。本系統(tǒng)使用的是ESP8266-01 WIFI 模塊，是市場上較為常用的WIFI 模塊之一。本系統(tǒng)利用串口通信與改模塊進行通信（UATR2），采用AT 指令庫進行操作。在下位機控制系統(tǒng)中，需要將獲取到的溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)送到ESP8266 模塊，首先就要初始化，設置ESP8266 模塊，并且利用Mqtt 協(xié)議連接上百度智能云服務器。

2.3 下位機硬件設計

下位機硬件系統(tǒng)的設計如圖4 所示。基于物聯(lián)網(wǎng)的低功耗溫濕度傳感系統(tǒng)的下位機，是以STM32F103C8T6 為主控核心，由ESP8266-01S 作為WIFI 傳輸模塊，兩路的SHT30 溫濕度傳感器作為溫濕度采集模塊，6*6*5 輕觸開關作為外部中斷輸入。系統(tǒng)實時獲取溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)，進行數(shù)學解算后打包由串口通信發(fā)送至WIFI 模塊。WIFI 模塊連接上百度智能云服務器后再由上位機接收。

圖4 下位機系統(tǒng)總體框圖

下位機控制核心采用STM32F103C8T6 芯片。主控芯片是一款基于ARM Cortex-M3 內(nèi)核的32 位微控制器。芯體尺寸為32 位，程序存儲器容量為64 KB，具有72 MHz 的芯片主頻。內(nèi)部集成了ADC 以及I2C 硬件接口，通用I/O 個數(shù)達到37 個，工作電壓為2 V～3.6 V。

2.4 上位機Qt 顯示界面的設計

（1）Qt 程序設計思路。本UI 界面設計要求具有能夠獲取百度智能云服務器透傳的溫濕度數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)、將數(shù)據(jù)存放入數(shù)據(jù)庫后顯示數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)以及將數(shù)據(jù)繪制成數(shù)據(jù)曲線的功能。程序設計的思路是通過Qt 的Mqtt 庫進行操作，連接上百度智能云服務器，訂閱相應的主題，而后利用CONNECT 函數(shù)接收服務器所發(fā)送的信息。通過解包來獲取設備編號、環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)。采用QChart 類來繪制數(shù)據(jù)的折線圖，方便用戶觀察環(huán)境變化的趨勢。

（2）Qt 程序整體設計框架。本系統(tǒng)使用Qt 編寫UI 界面，軟件的整體框架圖如圖5 所示，總共有4 個界面，分別為連接界面、數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)顯示界面、數(shù)據(jù)庫查找界面和折線圖界面。

圖5 Qt 軟件設計框架圖

（3）Qt 顯示界面的優(yōu)化。Qt 在PC 端的控件更加兼容，容易實現(xiàn)更多的功能，所以在PC 端增加了背景圖片標題以及圖標，增大了QLable 的字號，讓提示更加的清晰。優(yōu)化后的界面如圖6 所示。

圖6 PC 端界面圖

3 系統(tǒng)測試

3.1 溫濕度功能測試

測量了3 組溫濕度與實際對比表格如表1 和表2 所示，表1 為SHT30 通道1，表2 為SHT30 通道2。

表1 SHT30 通道1 測量溫濕度與實際對比

表2 SHT30 通道2 測量溫濕度與實際對比

測試方法與結(jié)論：實際溫濕度采用市面上采購的溫濕度計進行監(jiān)測，由表1 和表2 數(shù)據(jù)可得溫濕度誤差較小，測量精度較高。

3.2 低功耗模式電流測試

測量了7 組工作在停止模式下工作電流、3 s 一發(fā)送模式下工作電流和低功耗模式使用10 000 mah 充電寶供電使用的時間如表3 所示。

表3 測量低功耗電流與正常工作電流

測試方法與結(jié)論：測試采用5 V 10 000 mah 充電寶供電，將萬用表串聯(lián)至供電系統(tǒng)中，測得以上數(shù)據(jù)。由表3 中數(shù)據(jù)可得：當工作在停止模式下時，電流比3 s 一發(fā)送的工作模式減小一半，功耗減小一半，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗功能。

減小了功耗之后，采用充電寶供電的本系統(tǒng)可以達到14 d以上的使用時間，基本能夠滿足市場的要求。

市面上雖然有功耗比較低的溫濕度采集系統(tǒng)，能夠做到4 mA 級別［10］，但是只有采集的功能，沒有通過WIFI 傳輸至服務器，缺乏主要的功能。本系統(tǒng)如果只有采集功能時，低功耗能達到2 mA 級別，比市面上明顯小。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)主要特色為：①使用百度智能云服務器，將數(shù)據(jù)組包發(fā)送至服務器后使用手機和PC 端進行遠程接收；②實現(xiàn)單片機進入停止功能，有效降低了系統(tǒng)的功耗。

本系統(tǒng)比較完整的實現(xiàn)了以上功能，數(shù)據(jù)傳輸正確，功耗明顯降低。

市面上的低功耗溫濕度傳感器系統(tǒng)比較少，而且缺乏主要功能，本系統(tǒng)填補了市場上的空白。同時該系統(tǒng)目前在性能和功能上還有很大的提高空間，如云平臺只能采用百度智能云服務器，對其他的云平臺兼容性較差，上位機軟件界面優(yōu)化仍然不足，后期可以增加web 界面，使系統(tǒng)更加完善。