基于物聯網控制的街邊智能傘設計

劉佳奇，歐陽嘉俊，陳微，鄭勃

（1.北華大學，吉林吉林，132013；2.吉林石化公司化肥廠，吉林吉林，132021）

1 系統框架及功能設計

本文設計的智能傘控制系統從結構上可分為智能硬件與云平臺兩部分。智能硬件是一個集成了多種傳感器、執行器設備、主控和通信單元的智能大傘。具體而言，智能硬件包括一個可以通過伺服電機控制開合的傘體和底部的物理支撐結構，這樣的設計使得傘的開合狀態可以方便地通過控制伺服電機來實現。

主控芯片采用Air724UG 模組，其具備了豐富的功能。通過調用多個傳感器，主控芯片可以獲取不同的環境參數信息，例如溫度、濕度、風速等。這些傳感器可以對傘附近的使用環境進行實時監測，從而為云平臺采集當前節點的天氣信息。獲取到的傳感器數據會被打包成JSON 格式，以便于傳輸和處理。

值得注意的是，主控芯片還配備了LTE 網絡功能，使得傘可以與云服務器進行穩定的通信。主控芯片可以定期采集傳感器數據，并通過MQTT 協議將數據發送到云服務器上，實現信息的上傳和匯總。同時，主控芯片還能夠持續監聽云服務器的信息，以實現云服務器對傘的遠程控制。這樣，用戶可以通過云平臺實現對傘的遠程監控和控制，從而更加方便地管理和使用智能傘。

通過智能硬件與云平臺的結合，本文設計的智能傘控制系統能夠實現對傘的智能化監測、環境數據上傳和遠程控制，從而實現了智能化地傘。

通過使用Spring Boot MVC 架構，云平臺實現了對傘節點數據的可視化控制，將數據存儲在MySQL 數據庫中，從而為管理員提供了方便的數據查看和管理方式。管理員可以通過WEB 界面實時監控傘節點的運行狀況，并且可以查看歷史數據的變化趨勢，通過算法進行數據可視化，為管理員提供直觀的環境信息展示。同時，管理員還可以通過控制集群或者指定節點來實現對傘的開關操作，并獲取實時傳感器信息和運行自檢信息，從而實現對傘控制系統的靈活管理和控制。

2 硬件系統設計

硬件部分由三個核心單元組成，分別是Air724UG 模組單元、伺服電機、多種傳感器。Air724UG 模組核心的作用，主要負責與云平臺的通訊，各種傳感器信息的采集和對傘體的驅動控制。 模組具備多種硬件通訊協議接口包括I2C，SPI，UART 等，可以同時與多個傳感器連接實現數據通訊。同時可以與伺服電機驅動模塊連接實現通過PWM 對功率較大的伺服電機進行控制。其系統結構如圖1 所示。

圖1 硬件系統架構

■2.1 核心模組設計

Air724UG 是一款4G LTE Cat.1 模塊，具有低功耗、高集成度、支持多種外設和可二次開發等特點。該模塊內部集成了MQTT 和JSON 處理功能，可以作為客戶端與云服務器進行通訊和交互。同時，該模塊還支持低功耗模式，可以在待機狀態下實現較低的能耗。

在本系統中，Air724UG 模塊作為主控芯片，負責多個傳感器的數據采集、信息打包成JSON 數據以及通過MQTT協議將數據發送到云服務器上進行信息上傳匯總。此外，該模塊還可以持續監聽云服務器的信息，實現對傘的控制。由于Air724UG 模塊具有低功耗特性，系統在實現功能的同時也能夠有效降低能耗，從而保證系統的高效運行。本系統可以實現智能傘控制系統的各項功能。其低功耗、高集成度和支持多種外設的特點，使得系統具有高度的靈活性和可擴展性。同時，本模塊的支持低功耗模式，也有助于減少系統的能耗，從而提升系統的節能性能。因此，本模塊是本系統實現功能的理想選擇。

為了實現設備的功能，我們采用了多線程的邏輯設計。設備在上電開機后，首先對各傳感器和執行器進行通訊測試，并通過各部分返回碼來確定設備的健康狀況。自檢工作會在2～3s 內完成。然后設備會注冊移動網絡，并檢測網絡功能是否正常連接。一旦網絡連接正常，設備將嘗試與服務器建立MQTT 連接。連接建立后，我們使用Thread 管理機制來注冊多線程。這些線程會間斷性地向服務器發送心跳包，并同時監聽自定義主題的信息，以用于機動控制。

系統的Thread 包括如下內容：

一個提供網絡長連接的線程，主要負責維持MQTT 服務的穩定在設備訂閱的主題進行心跳，維持設備的在線狀態，并且訂閱該設備的執行主題，如果接收到執行數據將數據放到消息隊列。

一個消息隊列的處理線程，這個線程負責執行消息隊列中的各種操作，例如當隊列中存在操作開關傘的信息，那么系統會調用開關函數，并將執行結果反饋到對應的主題。

一個安全預警緊急處理線程，這個線程負責監聽機電傳感器的運行狀態，一旦發送錯誤立刻觸發安全機制，例如在開關傘的過程中發生運動性卡死，那么會觸發該線程中的緊急停止邏輯，會立刻切斷機動部分電源，并產生消息匯報給云平臺。

■2.2 傳感器單元設計

通過使用I2C 和UART 等通信方式，核心模塊能夠與各種傳感器進行高效的數據交互，以實現對環境數據的采集和處理。其中，大氣壓力傳感器BMP280 模塊和數字溫度傳感器AHT21 模塊提供準確的氣象信息，如氣壓和溫度，為系統的環境監測功能提供了重要的數據支持。同時，GP2Y1014AU 型傳感器實時監測環境中的粉塵污染度，為系統的空氣質量監測功能提供了關鍵的信息。以上所述的傳感器系統可通過圖2 中的方法來實現。

圖2 傳感器電路圖

此外，通過ADC 采集小電機發電電壓的方式，系統能夠實時獲得風速信息，從而實現對天氣條件的監測。這些采集到的環境數據將被主控芯片Air724UG 模塊進行處理和打包，并通過MQTT 協議發送到云服務器，實現對環境信息的上傳和匯總。這樣，系統可以通過這些數據為用戶提供實時的天氣信息和環境狀況，從而為用戶提供更加智能化的傘控制體驗。

傳感器運行步驟如下：

（1）首先在系統上電后，主控芯片會調用BMP280的初始化函數主要包括確定傳輸傳的信息速率，然后調用AHT21 初始化設置傳輸速率，之后嘗試讀取它們的采樣值，如果不可以正常讀取到采樣值，將日志和錯誤信息發送到云服務器。

（2）定時采樣每個傳感器的值然后打包成數據包通過網絡發送到服務器。

■2.3 執行單元設計

執行單元是系統中的關鍵部件，主要由核心模塊驅動的伺服電機組成，用于實現對傘體的控制。伺服電機是一種特殊設計的電機，具有小尺寸、低功耗、高效率等特點，適合用于傘的控制。主控模塊通過PWM 信號控制伺服電機運動，可以實現對傘的平滑、快速的開關操作，從而提供良好的用戶體驗。執行單元作為系統的關鍵控制部分，能夠根據用戶在WEB 界面的操作或者系統的自動化算法，控制傘的自動開關，從而實現對傘的實時控制和監測。

3 軟件系統設計

系統軟件設計主要包括云端和終端兩個部分。即云端數據處理，終端設備模塊Air724UG 的程序設計。

■3.1 終端設備的程序設計

終端設備主要負責各種傳感器信息的采集整理。在系統啟動時，主控芯片首先加載系統，并進行必要的初始化操作如文件系統的讀取和對各個接口的電平初始化以及與各個外部傳感器模塊的通信設置。隨后，主控芯片會建立多線程，其中包括采集線程、網絡線程和守護線程，如圖3 所示。

圖3 軟件系統結構

采集線程承擔著輪詢各個傳感器、獲取數據以及將數據存儲在芯片的日志區域的任務。這些數據涵蓋了大氣壓力、溫度、風速等環境參數，以及其他傳感器所采集到的信息。采集線程的高效操作確保了系統對各種環境數據的準確采集和實時更新。

網絡線程負責嘗試建立與互聯網的連接，一旦連接成功，將日志區中的數據通過網絡傳輸至服務器，實現數據的同步傳輸。此外，網絡線程還會監聽來自服務器的控制信息，以便隨時執行相應的操作。這確保了系統與服務器之間的高效通信，以便依據服務器的指令來控制和操作系統。

守護線程的任務在于定期檢測系統、網絡和數據緩存區的狀態。一旦發現異常情況，它會記錄異常并嘗試重新啟動相關模塊，以確保系統的穩定運行。守護線程的存在有效地監測了系統的健康狀態，及時處理異常情況，從而提高了系統的可靠性和穩定性。

■3.2 云平臺業務處理設計

云平臺作為中控系統，主要負責管理全部智能傘節點，其主要由以下幾部分構成：MQTT 服務器、MySQL 數據庫和Spring Boot 主程序。

MQTT 服務器作為傘終端設備的接入平臺，負責批量處理隊列數據，并將數據轉發給主程序進行處理。主程序同時具備多任務處理的能力，包括以下幾個方面：

數據采集記錄服務器：當終端節點發送數據集到服務器時，MQTT 服務器會將這些數據傳遞給主程序。主程序會對接收到的數據進行解包，并根據數據的ID、時間戳、設備編碼等信息對數據進行分類，并將分類好的數據存儲到數據庫中。其結構如圖4 所示。

圖4 云平臺結構

數據層負責將MQTT 的數據分類存儲到不同的表中，實現調取的方便，在數據庫中主要記錄如下內容：設備連接時間，健康情況，采集到的環境信息：每10 分鐘各個傳感器的數值，開關傘記錄：每次傘體控制都會在這里產生記錄，異常記錄：當某個傳感器發生故障或者開關傘發生異常都會記錄到該表中。

業務層采用JAVA 語法負責提供相關接口，包括集群管理：同時對各個設備發送心跳信息，并批量寫入到數據庫中，數據可視化：為WEB 提供數據，數據分析：對所有的設備上傳數據進行分析，采用平均值的方式計算出本地降雨情況。日志查詢接口：讀取數據庫中的日志數據，以方便工程師快速解決修復相關問題。

數據分析：主程序通過對多個節點上報的天氣信息進行分析，可以實現簡單的降雨預測，并通過與互聯網上的天氣API 進行結合，實現更加精確的天氣變化檢測。

控制管理：主程序可以實現對傘節點集群或單一設備的控制管理。管理員可以預先設定分組和控制方案，當系統觸發相應條件時，主程序會根據預先設定的控制方案進行操作下發。同時，主程序還可以實時響應前端頁面提交的請求，并進行相應的操作。

監聽前端操作：主程序通過提供HTTP 服務接口，在用戶請求的情況下實現可視化的前端響應服務。主程序能夠基于前端請求進行監聽并產生相應的響應。

綜上所述，云平臺作為中控系統，通過MQTT 服務器、MySQL 數據庫和Spring Boot 主程序之間的協同工作，實現了對傘終端設備的管理和控制。這包括數據采集、數據分析、控制管理以及前端操作監聽等功能，為整個系統的智能化運作提供了強有力的支持。

■3.3 云平臺業務執行設計

系統云平臺采用分離的異步結構各個模塊分別執行不同的操作。

首先服務啟動后會激活Mysql 數據庫，然后啟動MQTTX 服務，此時各節點可以進行上線連接。之后會啟動服務主體基于Spring Boot 主程序為前端頁面提供接口服務。

4 系統測試

本文設計的智能傘實現了降雨自動開啟，晴天自動關閉。其系統狀態可以在web 平臺上顯示。各類傳感線信息都可以在平臺中進行檢索，云下平臺的執行器節點也會正確作出響應。

5 結語

本系統作為一項互聯網實訓項目，在研發實訓中取得了顯著的成果。通過結合傳感器、執行器、微控制器和通信模塊，成功實現了智能傘的功能，使其成為一種新型的智慧化城市中的物聯網產品。然而，在實際的場景應用中，還需要考慮到規模性、安全性和實用性等多方面的需求。因此，本方案還可以進一步擴展和升級，以滿足實際需求。