基于ESP8266主控器的智慧實驗室的監控設計

祝加雄

（樂山師范學院 電子信息與人工智能學院，四川樂山， 614000）

0 引言

高校實驗室是人才培養、科學研究必備場所，管理工作專業且重要。但是目前高校的實驗室大部分仍采用傳統的人工管理、實驗室運行紙質記錄運行使用情況；實驗室安全和實驗室內的設備使用和維護主要依靠使用的教師、實驗員和學生采用人工的方式管理和維護，實驗室利用率低，安全性較為滯后。

應用新興信息技術建設教學環境，實現實驗室的高效管理以及資源的合理配置。文獻[1]江波通過對實驗儀器管理的功能需求調研，以解決電子技術實驗室儀器管理效率為目標，設計實現了可對設備工作狀態監控實驗室儀器管理系統，保障實驗過程中設備的正常運行。文獻[2]王雁南等提出利用基于物聯網的各種技術，包括用戶層、網絡層、感知層、應用層和數據層的智慧物聯網實驗室的管理系統，實現了實驗室的安全、設備環境、人員、儀器使用情況等方面的管理，提升儀器利用率。文獻[3]李延香，趙薔，袁輝等人針對高校實驗室管理現狀，提出了基于實驗室管理的基礎數據采集、數據傳輸、數據處理的三層智慧實驗室架構模型，并采用瀏覽器網頁監控模式實現對實驗設備遠程聯網監控和智能安防。

本文提出了一種基于ESP8266芯片開發板為主控器的智慧實驗室監控系統。采用 ESP8266與云路由器通過WIFI可實時將采集到的實驗室運行狀態數據發送到服務器，經過服務器處理后在微信公眾號中顯示當前實驗室運行狀態，提高了實驗室的使用率和安全性。

1 需求分析

從構建學院傳感器實驗室智慧管理系統的需求出發，該實驗室傳感器設備數種類和數量大，交叉課程如虛擬儀器、電子系統設計也需要使用該實驗室傳感器，且課程運行中有一定損耗等特點，設備管理目前缺乏統一的管理平臺，為實現信息化管理和儀器設備共享，本設計利用RFID標簽對傳感器實驗各類設備進行分類信息存儲與識別。

利用RS485傳輸特性，在傳感器實驗室特定區域處布置溫濕度傳感器、PM2.5、光照度等信息的測量。在實驗室門上安裝電子鎖，進行指紋開鎖和遠程密碼開鎖控制。對于實驗室的空調和燈光按照對應的繼電器模塊，進行遠程控制。

利用微信公眾號平臺，進行實驗室信息的實時發布，讓學生和教師及時掌握傳感器實驗室的運行狀況，便于預約使用和記錄使用情況，從而提高實驗室的使用率和信息化管理。

超高清攝像頭模塊，可直接與 WiFi網絡進行對接配對，通過RTSP進行數據傳遞；門禁設備、空調控制器、照明、溫濕度、煙感等對實時性和可靠性要求都較高，所以采用RS485 方式接入ESP8266開發板，再進行上傳數據。具體列表如表1、表2、表3所示。

表1 設備列表

表2 RS485數據讀取規則

表3 溫濕度、煙感等傳感器數據響應規則

2 總體設計

該設計的硬件以傳感器實驗室為基礎，以阿里云的云平臺軟件為核心，以ESP8266芯片的開發板作為主控制器，通過串口、485總線方式對傳感器實驗室中的煙感、可燃氣體、CO氣體、PM2.5、溫濕度傳感器進行采集，通過RSTP方式傳輸攝像頭視頻流，在主控器ESP8266中進行信息處理后，使用WiFi鏈接網絡，通過云路由器傳遞到云服務器，微信公眾號中進行遠程控制，把設置指令傳遞給云服務器，云服務器中相應更改被設置的控制狀態數據庫中的對應數據表數據，主動下發數據包給云路由器，云路由器接收到數據包后，轉發給ESP8266主控板，主控板接收到數據包后，進行數據解析，然后進行傳感器實驗室門禁系統控制、遠程開鎖、實驗室內燈光控制、實驗室室內電氣設備開關控制、實驗室安全報警[4]。云服務器接收到與路由器上傳的數據包后，如果出現異常值，則需要主動通過微信公眾號平臺發布傳感器實驗室報警情況，直至解除報警。學生和教師也可以主動通過微信公眾號查詢傳感器實驗室當前的使用狀態和過去使用記錄等信息。總體框圖如圖 1 所示。

圖1 系統整體框圖

3 硬件設計

■3.1 主控模塊設計

云路由器是ESP8266芯片開發板與云平臺的交互門戶，內含Linux操作系統，與STM32系統板結合，對外接口有LoRa、UART、4G/5G、WiFi等，便于各類傳感器接入。云路由器與各類數據傳感器和控制器采用ModbusRTU進行采集與控制，云路由器還兼容Http協議，可以與云服務器快速鏈接傳遞數據信息。系統包括核心拓展版STM32F407最小系統和對應外圍接口電路，主要完成數據采集與設備控制，核心板ESP8266主要進行數據WiFi傳輸或4G、5G傳輸，整個系統的電源模塊采用220v交流接入，輸出直流穩壓電源有24V，12V，5V和3.3V為傳感器、控制器、主控板提供穩定的電源支持。具體框圖如圖2所示。

圖2 云路由器硬件圖

云路由器基于容器技術內裝有智能操作系統RTOS，可進行遠程管理、遠程監控、在線升級。云路由器采用標準物聯網協議，通過采集終端進行數據信息收集整理，然后通過WiFi傳送數據包，采用MQTT的數據格式進行數據打包集中上報至對應綁定的云服務器平臺，云服務平臺與對綁定的微信公眾號提供標準化數據接口及服務，進行相互可靠的數據傳輸。但高清攝像頭視頻數據量大，則本設計采用H265數據編碼，進行流媒體進行推送至云服務器，云服務進行對應視頻文件按照10min一個文件進行存放。

■3.2 電源設計

系統的電源模塊采用交流輸入，通過線性變壓器轉化為24V直流穩壓源進行供電，24V直流電源通過三端穩壓器LM7812EE輸出穩定的12V直流電源，對各類功率較大的繼電器控制模塊、電機、空調、電子門鎖進行12V穩定供電。12V直流電源再通過三端穩壓器LM7805EE輸出穩定的5V直流電源，對ESP8266核心板、STM32單片機、WiFi模塊等進行穩定供電。5V直流電源通過LM1117輸出穩定的3.3V直流電源，對溫濕度傳感器、光照傳感器、CO傳感器等進行穩定供電。穩壓電路如圖3所示。

圖3 穩壓電路設計

■3.3 WiFi電路設計

本設計以ESP8266核心板，采用商用級的無線模塊，使用串口與STM32單片機進行通訊，電路設計中只需對 VCC、GND、RESET、TXD 以及 RXD 引腳進行配置，其他電路不需要進行電路配置。具體配置為：ESP8266芯片與STM32F407單片機一同接3.3V，ESP8266芯片的GND也與STM32F407單片機共地。ESP8266核心板工作時，STM32F407單片機可以對芯片發出指令進行復位。芯片的RXD引腳與STM32F407單片機的TX引腳相連，STM32F407單片機輸出的數據通過該引腳輸入，芯片的TXD引腳與STM32F407單片機的RX引腳連接，芯片模塊發送的數據將通過TX引腳發送給STM32F407單片機模塊。系統波特率設置為 9600。具體電路如圖4所示。

圖4 WiFi電路

4 軟件設計

本設計基于Non-OS SDK開發的，采用定時方式采集實驗室監控數據，實驗室對象為學院傳感器實驗室。定時設定10s進行定時中斷一次，發生中斷時，依次喚醒各類傳感器，如煙感、照明、溫濕度等，通過RS485分時進行數據采集，經ESP8266核心板處理后，再與云路由器通訊，由云路由器按照一定規則進行數據打包上傳到云服務器上，更新數據庫中的數據表。但對于超高清攝像頭進行畫面監測時，只是進行數據的傳遞與存儲。當測量數據異常時，在實驗內通過ESP8266開發板觸發報警，云服務器通過消息推送微信消息進行報警，直到手動處理消除報警后，再進行數據監測。微信公眾號上進行查詢設置后，在微信公眾號上發送數據狀態值至云服務器，云服務器更新相關數據庫中的數據表數據信息，并觸發下發指令，把狀態發生改變的數據狀態值打包向ESP8266開發板發送數據，ESP8266開發板收到數據包后進行解析，根據狀態值進行控制執行器執行對應操作。如門禁系統、照明系統、設備供電系統、空調系統等工作。具體流程圖如圖5所示。

圖5 數據處理流程圖

系統通過SmartConfig 配網模式進行WiFi配網，ESP8266核心開發板的WiFi模塊與微信小程序通過WiFi信道廣播特定編碼數據包，該數據包中含有用戶設置的WiFi名和WiFi密碼，當系統進行WiFi初始化時，SmartConfig進入配網模式，ESP8266核心開發板上的WiFi模塊進入混雜監聽模式[5]，對覆蓋范圍內所有WiFi數據信號進行監聽，當微信小程序發送的數據接收并解碼正確時，則表明WiFi模塊獲得了正確的WiFi名和WiFi密碼，然后在ESP8266核心開發板上進行存儲，接著連接熱點上網進行數據傳送，網絡配置完成。具體流程圖如圖6所示。

圖6 SmartConfig配網流程

5 結語

基于ESP8266芯片的開發板的智慧實驗室管理系統，實現了學院傳感器實驗室使用情況的發布、實驗室內視頻、用電設備控制、環境監測，提高了傳感器實驗室的使用率、安全性和電子化管理。但目前云服務器使用免費版，數據存儲量較小，而且對于較多實驗室的綜合數據的歸檔和分析能力較弱，網絡數據傳輸也未進行加密傳輸，后續需進一步加強智慧實驗室的信息處理能力和安全性。