基于ESP32的遠程環境監測系統的設計

摘 要：針對普通的環境監測系統存在感知信息不全面、監測接口單一、開發不夠便捷等不足，文中基于ESP32設計了遠程環境監測系統，充分發揮了ESP32管腳充足、控制器豐富、片內集成WiFi收發器、開發便捷等優勢。利用傳感器等采集環境中的溫度、濕度、光照強度、二氧化碳含量、TVOC含量、氣壓、海拔、磁偏角、紫外線強度、煙霧濃度、噪音強度、火焰告警狀態、風力、雨量、地理位置、時間等信息；使用TFT彩色顯示屏實時顯示環境信息；借助片內收發器及外接無線傳輸模塊實現WiFi近距離、LoRa遠距離、GSM短信不限制距離的無線遠程監測，并采用終端軟件或手機短信等方式對環境進行遠程監測。實驗結果表明：系統功能完善、運行穩定，可為同類方案提供參考和借鑒。

關鍵詞：ESP32；傳感器；遠程環境監測；WiFi；LoRa；GSM

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）08-00-04

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.08.008

0 引 言

隨著傳感器技術、微處理器技術、無線傳輸技術的發展，環境監測系統的運用變得更為廣泛，相應方案或產品可用于室內、城市、農田、機房、倉庫等場景，便于作業人員對環境進行監測并針對出現的異常采取相應措施[1-5]。然而，目前的環境監測系統仍然存在若干不足，例如文獻[2]選用單片機作為主芯片，因單片機管腳不足只能接少量傳感器導致感知信息不全。文獻[3]只外接窄帶物聯網模塊、文獻[4]只使用片上收發器，均導致監測接口單一。文獻[5]選用樹莓派作為主芯片，需要先移植系統和驅動才能開始業務代碼的編程，開發不夠便捷。

針對上述不足，文中基于ESP32設計了遠程環境監測系統。ESP32采用兩個哈佛結構Xtensa LX6 CPU構成雙核系統，體積小，價格低，片上集成通用型輸入輸出（General Purpose Input/Output， GPIO）、通用異步收發傳輸器（Universal Asynchronous Reveiver Transmitter， UART）、集成電路總線 （Inter Integrated Circuit， I2C）、串行外設接口（Serial Peripheral Interface， SPI）、模數轉換（Analog to Digital Convert， ADC）等控制器以及WiFi收發器，芯片引出的管腳充足且多數管腳具備復用功能，利于外接其他功能模塊，支持Arduino集成開發環境下導入各種庫后直接進行業務應用程序的開發，綜合優勢顯著。

1 整體設計

文中設計的遠程環境監測系統由供電模塊、主芯片、參數存儲模塊、環境信息采集模塊、狀態顯示模塊、無線傳輸接口、上位機組成，如圖1所示[6-7]。

供電模塊提供系統所需的電壓。主芯片ESP32運行業務代碼，驅動調度所有外圍設備。參數存儲模塊的AT24C256存儲系統具備掉電后保持參數的特性。環境信息采集模塊包含各類傳感器，可獲取環境中的各項信息值。狀態顯示模塊包括3.5寸薄膜晶體管（Thin Film Transistor， TFT）彩色顯示屏和有源蜂鳴器，提供本地顯示和告警鳴響功能。無線傳輸接口具備三類不同距離的傳輸方式：基于WiFi實現近距離的信息傳輸，基于LoRa模塊實現遠距離的信息傳輸，基于GSM模塊實現不限制距離的信息傳輸。上位機可以是手機、筆記本電腦、PC等，通過網頁瀏覽器、終端軟件、短信等對ESP32進行訪問和控制。

2 硬件設計

采用12 V直流降壓模塊作為系統的下位機供電電源，

12 V直流電壓經降壓后得到5 V和3.3 V電壓，供主芯片和各外設模塊工作。

I2C接口的外設包括AHT20溫濕度傳感器、BH1750光照傳感器、SGP30二氧化碳及總揮發性有機化合物（Total Volatile Organic Compounds， TVOC）含量傳感器、BMP180氣壓海拔傳感器、HMC5883磁偏角傳感器以及AT24C256存儲芯片。供電模塊為各I2C接口的外設提供3.3 V電壓，ESP32選用2個數字I/O管腳產生I2C時序，利用I2C總線一對多的特點，與多個從機外設通信。時鐘、數據信號線上均設計上拉電阻。硬件連接關系如圖2（a）所示。

ADC接口的外設包括紫外線傳感器、煙霧傳感器、噪音傳感器、火焰傳感器、風力傳感器、雨量傳感器，供電模塊為各ADC接口的傳感器提供5 V電壓。ESP32選用6個模擬I/O管腳作為輸入管腳，分別讀取各傳感器的模擬輸出值。硬件連接關系如圖2（b）所示。

GPIO接口的外設包括蜂鳴器。ESP32選用1個數字I/O

管腳作為輸出管腳驅動蜂鳴器。硬件連接關系如圖2（c）

所示。

SPI接口的外設包括分辨率為320×480的3.5寸TFT顯示屏、供電模塊（為顯示屏提供5 V電壓）。ESP32選用3個

數字I/O管腳產生SPI時序控制顯示屏，額外用到3個數字I/O管腳產生復位等信號。硬件連接關系如圖2（d）

所示。

UART接口的外設包括GPS模塊、LoRa模塊、GSM模塊。ESP32內有3個串口控制器，Serial0的發送管腳TX作為調試打印管腳，Serial0的接收管腳RX接GPS模塊，型號為GY-NEO-6M，供電模塊為GPS模塊提供3.3 V電壓。硬件連接關系如圖2（e）所示。

系統用到一對LoRa模塊，型號為正點原子ATK-MW1268D，其中一個與ESP32的Serial1串口連接，另一個由PC通過USB轉串口連接。ATK-MW1268D配置射頻參數且工作為串口透傳模式，兩個模塊正常配對工作后，向一個模塊的RX腳寫入的字節將從另一個模塊的TX腳發出，使得ESP32的Serial1與PC的USB轉串口能通過無線信道實現遠程互通。硬件連接關系如圖2（f）所示。

ESP32的Serial2連接GSM模塊，型號為SIM900A，供電模塊為SIM900A提供5 V和3.3 V電壓，SIM900A模塊插入SIM卡后可接入移動通信等網絡。ESP32通過對SIM900A發送AT命令實現短信功能，使得ESP32與手機能通過移動網絡實現短信互通。硬件連接關系如圖2（g）所示。

ESP32片上集成WiFi收發器，可以配置為AP-Station模式提供無線局域網（Wireless Local Area Networks， WLAN）服務和DHCP服務，手機、筆記本電腦等通過WLAN接入ESP32后能實現TCP/IP協議的網絡互通。

3 軟件設計

3.1 業務流程

在Arduino集成開發環境下，遵循setup-loop軟件框架設計原則，使用C語言對ESP32進行軟件程序設計。Arduino工具為開發者提供了豐富的函數庫，使得開發人員不必關注系統移植和驅動編程，而只需遵循軟件框架進行應用層業務程序開發即可[8]。系統的業務流程如圖3所示。在初始化的setup函數中，首先初始化調試串口、通信串口、I2C總線，通過AT24C256存儲芯片讀取工作參數后初始化各傳感器外設，配置模擬輸入管腳和數字輸出管腳，并初始化SPI總線和TFT顯示屏，然后開啟WiFi的AP基站功能，最后進入循環loop函數。在輪循執行的loop函數中，首先從各傳感器讀取環境信息，然后在TFT彩色顯示屏更新顯示，并依次判斷是否從WLAN網口、LoRa模塊、GSM短信模塊收到有效命令，若是，則執行命令并返回響應，按需向上位機報送告警信息。

3.2 外圍設備驅動

Arduino集成開發環境下有大量應用編程接口（Application Programming Interface， API）函數可以調用，例如analogRead可以讀取ADC接口傳感器的模擬管腳電壓值，進一步換算為環境信息強度等級；Serial.read和Serial.write可以通過串口收字節或發字節；digitalWrite可以寫數字管腳的輸出電平驅動蜂鳴器和顯示屏；Wire.begin、Wire.read、Wire.write系列的API用于驅動I2C接口的外設。

3.3 GPS定位信息解析功能

GPS模塊接收衛星信號并定位成功后，每秒通過串口輸出美國國家海事電子協會 （National Marine Electronics Association， NMEA）協議的一系列字符串信息給ESP32，ESP32通過Serial2.read（）函數接收GPS模塊發出的全部字節，基于狀態機分析$GPRMC信息，解析出經度、緯度、時間等[9]。

3.4 LoRa傳輸功能

LoRa模塊需配置成透傳模式，當ESP32利用LoRa模塊與PC的USB串口通信時，為便于串行數據分包被正確解析，需將通信內容進一步封裝，對于N字節待傳內容，添加2字節頭部表示內容長度，添加2字節尾部表示內容校驗，然后將（2+N+2）字節通過串行線路（Serial Line Internet Protocal， SLIP）幀協議轉換后發送。接收方收到字節后，先解析SLIP幀，再解析出其中的內容進行分析和反饋，反饋內容也遵循2+N+2協議[10]。

3.5 短信收發功能

ESP32通過AT命令對GSM模塊進行控制，本系統使用的是字符短信功能[11]。在初始化時，ESP32發送AT+CSCS=\"GSM\"和AT+CMGF=1指令設置字符集為英文，發送AT+CNMI=2， 1指令，SIM卡收到短信后告知ESP32。ESP32需要發短信時，先發送AT+CMGS=\"{11位電話號碼}\"指令設置目標電話號碼，然后輸入英文字符串的短信內容再發送0x1A，告知GSM模塊開始發送短信。發送完成后，GSM模塊向ESP32回復+CMGS指令表示發送短信成功。當GSM模塊收到短信后，向ESP32報送+CMTI：\"SM\"， n指令，表明收到新的短信且存儲在SIM卡的n位置，ESP32發送AT+CMGR=n讀取SIM卡n位置處的短信內容，GSM模塊的回復+CMGR指令傳送給ESP32。+CMGR指令后跟來源電話號碼、短信時間、短信內容等信息，ESP32從中解析出所需信息，然后ESP32發出AT+CMGD=n，刪除SIM卡位置n處的短信內容，便于下一次接收短信。在實現了收短信、發短信功能的基礎上，ESP32對收到的短信中信息部分的內容進行解析，如果是特定的協議內容，則回復

短信。

3.6 WiFi訪問功能

ESP32使用WiFi.softAP函數開啟WiFi功能，定義全局變量WiFi udp和WiFiServer tcp，通過tcp.begin和udp.begin函數分別開啟一個UDP和TCP的套接字。基于UDP編程實現自定義協議通信，當udp.parsePacket函數返回成功則表明收到UDP包，調用udp.read 函數讀取UDP內容，如果是特定的命令內容，則構成反饋包后調用udp.write函數返回發出，UDP包的用戶數據部分與LoRa傳輸時的2+N+2協議格式一致。基于TCP編程實現HTTP協議最終實現Web服務功能，當tcp.hasClient及tcp.available函數返回成功，則表明TCP鏈接成功，調用tcp.read函數讀取TCP包的內容。如果是HTTP協議格式的包，則構成反饋包后調用tcp.write發出，然后調用tcp.stop函數斷開TCP連接，便于下一次連入[12]。

3.7 上位機軟件設計

使用Visual Studio開發PC計算機終端軟件。調用USB串口利用LoRa模塊的透傳功能向ESP32發送串口命令，收到反饋信息后，根據協議內容更新顯示界面。

4 聯調演示

基于前述設計制作遠程環境監測系統演示板，如圖4所示。GSM模塊插入SIM卡，GPS天線放置到能接收到衛星信號的地方，演示板正常工作后采集環境信息并在顯示屏顯示。手機搜索演示板的WiFi信號并接入熱點后，通過瀏覽器訪問演示板從而顯示環境信息，如圖5所示。PC運行上位機終端軟件，通過LoRa模塊與演示板通信，從而顯示環境信息以及控制演示板的工作狀態，如圖6所示。使用手機的短信功能向演示板上GSM模塊的SIM卡電話號碼發送特定短信指令，能收到演示板的回復短信，如圖7所示。經測試，系統各項功能正常，與設計相符。

5 結 語

文中設計的基于ESP32的遠程環境監測系統，使用傳感器采集了多項環境信息值并通過彩色屏顯示，同時提供了多種遠程監測接口。基于WiFi實現了近距離手機網頁瀏覽器監測、基于LoRa實現了遠距離PC終端軟件監測、基于GSM模塊實現了不限制距離手機短信監測。本系統感知信息全面、監測接口多樣、開發便捷，可為同類方案或產品提供參考與借鑒。

參考文獻

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收稿日期：2023-07-26 修回日期：2023-08-29

作者簡介：張來洪（1989—），男，碩士，工程師，研究方向為嵌入式技術、電臺主控及波形。

魯 興（1992—），男，博士，工程師，研究方向為嵌入式技術、通信技術。

黃正宏（1989—），男，碩士，工程師，研究方向為嵌入式技術、硬件設計。

葉 琛（1988—），女，碩士，工程師，研究方向為嵌入式技術、通信技術。