應(yīng)用筆記|基于STM32的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

本應(yīng)用筆記以STM32單片機(jī)作為控制和數(shù)據(jù)處理的單元，使用AHT10、BH1750和BMP280傳感器去監(jiān)測(cè)周圍的環(huán)境參數(shù)，在LCD屏完成傳感器數(shù)據(jù)和相關(guān)信息的顯示。

同時(shí)，采用了無線模組與單片機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。當(dāng)無線通訊模組成功連接網(wǎng)絡(luò)，并接入機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)時(shí)，用戶可以通過登錄物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)后臺(tái)查看傳感器上報(bào)的數(shù)據(jù)和進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

目錄預(yù)覽

1. 總體方案設(shè)計(jì)

2. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4. 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)設(shè)備接入

5. 軟硬件實(shí)物調(diào)試

01

總體方案設(shè)計(jì)

本環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)選取了控制和數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)的ST32單片機(jī)作為核心部件。使用溫濕度傳感器對(duì)周圍環(huán)境中的溫度與濕度監(jiān)測(cè)，選取高精度的光強(qiáng)度傳感器完成對(duì)周圍環(huán)境的光照強(qiáng)度的測(cè)量，對(duì)于氣壓數(shù)據(jù)的測(cè)量，將選取高精度的氣壓傳感器完成工作。

該系統(tǒng)使用液晶顯示屏幕完成對(duì)溫濕度數(shù)值，光照強(qiáng)度數(shù)值，大氣壓強(qiáng)數(shù)值以及設(shè)備的狀態(tài)信息的顯示。當(dāng)無線通訊模組成功連接網(wǎng)絡(luò)之后，接入云平臺(tái)。用戶可以通過登錄物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)后臺(tái)[4]，查看傳感器上報(bào)的數(shù)據(jù)信息和進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。開發(fā)Android上位機(jī)軟件，使用戶在上位機(jī)程序上實(shí)現(xiàn)對(duì)各種環(huán)境質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測(cè)。整個(gè)系統(tǒng)的整體框架圖如下圖所示。

■1.1 控制模塊方案

本環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制中心。需要完成傳感器數(shù)據(jù)的采集，無線通訊模組的數(shù)據(jù)交互，顯示傳感器數(shù)據(jù)的功能[5]。在本次的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，控制模塊采用的是STM32系列單片機(jī)。

例如在芯片選擇上面，有低功耗類型STM32L系列、主流類型F1系列、高性能F7/H7系列、以及異構(gòu)系統(tǒng)架構(gòu)下的 STM32MP157系列。在軟件程序設(shè)計(jì)過程中，官方提供了圖形化配置軟件STM32CubeMX?？梢钥焖偕傻讓优渲么a，減少重復(fù)性移植。同時(shí)該32位芯片的相關(guān)技術(shù)資料和參考設(shè)計(jì)資料較多，因此被運(yùn)用到各種電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)之中。本應(yīng)用筆記準(zhǔn)備使用控制性能強(qiáng)勁和數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)的STM32F103ZET6芯片作為核心控制模塊元件。

■1.2 環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器方案

環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要需要監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)有溫濕度數(shù)據(jù)，光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)和大氣壓強(qiáng)數(shù)據(jù)等基本環(huán)境質(zhì)量參數(shù)。因此需要選擇相應(yīng)的溫濕度傳感器，光強(qiáng)傳感器，精度較高的氣壓傳感器[6]。

溫濕度數(shù)據(jù)采集傳感器選擇了AHT10。AHT10模塊上面有一個(gè)濕度傳感器元件和一個(gè)片上溫度傳感元件，該產(chǎn)品具有快速響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)和高精度等優(yōu)點(diǎn)[7]。

光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)采集的傳感器選擇了BH1750。BH1750是標(biāo)準(zhǔn)（I2C）接口的16位數(shù)字輸出類型的環(huán)境光強(qiáng)度傳感器，可以利用BH1750模塊的高分辨率探測(cè)較大范圍內(nèi)的光照強(qiáng)度變化情況[8]。

大氣壓強(qiáng)數(shù)據(jù)采集傳感器選擇了BMP280。數(shù)字式氣壓傳感器BMP280，具有高精度的特點(diǎn)，而且也具有測(cè)量環(huán)境溫度和高度的功能。

綜上所述的傳感器模塊，在選擇時(shí)考慮到了其成本，使用的方便性，相關(guān)設(shè)計(jì)資料的豐富性，傳感器模塊實(shí)物圖如下圖所示。

■1.3 無線模塊方案

方案一：對(duì)于長(zhǎng)距離無線通訊模塊的選擇。查詢資料后，了解了國(guó)產(chǎn)LTE無線通訊模組上海合宙公司。該公司研發(fā)的LTE Cat 1無線通信模組提供了豐富的通用外設(shè)接口，并且支持Lua二次開發(fā)，合宙官方提供了嵌入式腳本運(yùn)行框架LuatOS。但是模組價(jià)格比較貴，而且開發(fā)過程比較復(fù)雜，相關(guān)資料和設(shè)計(jì)參考較少，開發(fā)難度較大。

方案二：esp8266芯片是***公司樂鑫科技所研發(fā)的一款WiFi無線模組芯片。內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，支持AT本地升級(jí)和OTA遠(yuǎn)程升級(jí)。該無線模組能夠很好的接入國(guó)內(nèi)的開放的物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，具有易操作化的特點(diǎn)，主要是相關(guān)資料和設(shè)計(jì)參考較多，開發(fā)難度較小。

經(jīng)過對(duì)上述方案對(duì)比，方案二中的ESP8266模塊，擁有豐富的相關(guān)設(shè)計(jì)資料。最終選擇了以ESP8266芯片作為核心的無線模組。作為單片機(jī)與物聯(lián)網(wǎng)云端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和交換的單元，無線模塊實(shí)物圖如下圖所示。

02

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選取了STM32F103ZET6芯片作為電路的核心控制和數(shù)據(jù)處理單元。該芯片支持UART、SPI、I2C接口，芯片內(nèi)部集成了512KB閃存和64KB SRAM，可以存儲(chǔ)更多的程序和數(shù)據(jù)。環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主控電路設(shè)計(jì)如下圖所示。

STM32芯片正常運(yùn)行所需要的電壓范圍為2.0~3.6V，實(shí)際運(yùn)行時(shí)的電流只有幾十毫安，因此芯片功耗非常低。芯片可對(duì)系統(tǒng)電路之中的電壓進(jìn)行檢測(cè)，可與電源芯片相接一起完成開關(guān)電源調(diào)節(jié)。

芯片正常運(yùn)行時(shí)，需要一個(gè)外部時(shí)鐘觸發(fā)信號(hào)，為此將使用頻率范圍在4~16MHz之間的晶體振蕩器。芯片內(nèi)部存在一個(gè)自動(dòng)校準(zhǔn)的RTC振蕩電路，其實(shí)際運(yùn)行的頻率能夠達(dá)到32KHZ。在本次設(shè)計(jì)中，因?yàn)镾TM32系列擁有豐富的串口接口，因此可以實(shí)現(xiàn)與多個(gè)通訊模組通信。同時(shí)可以添加調(diào)試接口，利用串口軟件實(shí)現(xiàn)調(diào)試功能，打印設(shè)備狀態(tài)信息。

03

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于STM32的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主程序流程如下。整個(gè)系統(tǒng)，在提供電源之后，開始進(jìn)行系統(tǒng)模塊的初始化操作。如進(jìn)行傳感器設(shè)備的初始化，LCD模塊的初始化，無線通訊模組的初始化。當(dāng)完成初始化操作之后，LCD屏幕則會(huì)顯示初始化信息。

此時(shí)，利用路由器或手機(jī)熱點(diǎn)提供WIFI信號(hào)，WIFI模塊會(huì)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)操作。當(dāng)聯(lián)網(wǎng)成功時(shí)，系統(tǒng)開始接收傳感器設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，APP程序會(huì)顯示相關(guān)傳感器數(shù)據(jù)信息，LCD屏幕也會(huì)顯示環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。如果聯(lián)網(wǎng)失敗，則會(huì)重新嘗試連接網(wǎng)絡(luò)。主程序設(shè)計(jì)流程圖如下圖所示。

04

物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)設(shè)備接入

在本次的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，利用了無線模塊進(jìn)行基本通信操作。傳統(tǒng)的無線模組與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，一般的方案是利用無線模組建立局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通信功能。隨著云計(jì)算等相關(guān)信息技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在的無線通訊模組可以實(shí)現(xiàn)與云端連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)墓δ堋?/span>

在本次設(shè)計(jì)中，使用的無線模組需要連接網(wǎng)絡(luò)，并接入云平臺(tái)。用戶可以通過登錄機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)后臺(tái)，查看無線通訊模塊上報(bào)的傳感器數(shù)據(jù)和進(jìn)行遠(yuǎn)程控制等操作。在物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的選擇中，選擇了國(guó)內(nèi)的機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入的方案，如下圖所示。

云平臺(tái)提供了兩種版本的GAgent通信協(xié)議的接入方案，主要是獨(dú)立MCU方案和SOC方案兩種。本次環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，選擇了獨(dú)立MCU方案接入平臺(tái)。

在本次設(shè)計(jì)過程中，需要把GAgent協(xié)議移植到WIFI模組上面，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)接云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的功能。云平臺(tái)提供了GAgent固件，GAgent固件的主要作用是完成對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行上報(bào)云平臺(tái)和平臺(tái)遠(yuǎn)程下發(fā)命令的功能[14]。固件下載效果如下圖所示。

4.1 接入機(jī)智云平臺(tái)的流程

在本次的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是軟件設(shè)計(jì)中，采用了MCU+WIFI通信模組方案，現(xiàn)在介紹接入機(jī)智云平臺(tái)的流程。第一步，注冊(cè)IoT平臺(tái)的開發(fā)者賬號(hào)，并登陸選擇產(chǎn)品類型并創(chuàng)建。第二步，填寫產(chǎn)品相關(guān)的基本信息之后，獲取到平臺(tái)提供的Product Key和Product Secret等密鑰信息[15]，如下圖所示。

第三步，創(chuàng)建相關(guān)數(shù)據(jù)點(diǎn)信息，完成相關(guān)數(shù)據(jù)類型的填寫。在環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，需要?jiǎng)?chuàng)建溫度數(shù)據(jù)Temperature，濕度Humidity,光照強(qiáng)度Light_Intensity,氣壓Pressure等主要的傳感器數(shù)據(jù)點(diǎn)，如下圖所示。

第四步，使用IoT平臺(tái)提供SDK文件包，進(jìn)行相關(guān)代碼移植。在SDK包生成的過程中，平臺(tái)提供了兩種類型。本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，選擇獨(dú)立MCU方案作為最終方案。

在支持的硬件平臺(tái)中，有常見MCU類型。例如有STM32平臺(tái)，MSP430平臺(tái)等，都提供了相關(guān)的測(cè)試SDK包。選擇使用通用的MCU平臺(tái)生成的SDK的代碼移植，有利于之后移植到其他的MCU芯片平臺(tái)上面去，選擇如圖4-11所示。

機(jī)智云SDK包的代碼移植到STM32系列平臺(tái)的流程如下。在整個(gè)代碼移植的過程，主要是去移植串口初始化及配置，定時(shí)器的初始化及配置[16]，傳感器數(shù)據(jù)的采集接收和上報(bào)函數(shù)的配置，以及相關(guān)模塊的初始化配置。

4.2 上位機(jī)軟件應(yīng)用開發(fā)

上位機(jī)軟件應(yīng)用開發(fā)。在本次的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用了Android應(yīng)用程序作為上位機(jī)軟件。一般在APP開發(fā)設(shè)計(jì)過程中，主要是進(jìn)行APP的UI界面設(shè)計(jì)，和相關(guān)功能模塊底層邏輯設(shè)計(jì)。在APP的UI界面設(shè)計(jì)的過程中，選擇使用XML進(jìn)行布局，在應(yīng)用程序的底層邏輯設(shè)計(jì)使用的Java語言。應(yīng)用開發(fā)選擇的是安卓平臺(tái)，如下圖所示。

本次設(shè)計(jì)中，使用平臺(tái)提供生成的SDK文件包進(jìn)行修改。由于平臺(tái)的提供的例程只是完成了基本的顯示效果，界面效果一般。所以接下來的主要工作是對(duì)官方源碼進(jìn)行修改。打開Android Studio軟件，導(dǎo)入從平臺(tái)下載的Demo源碼，通過修改src文件里面的layout的布局文件，進(jìn)行界面UI設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

通過對(duì)src文件里面的java代碼，進(jìn)行底層邏輯代碼修改[17]。在界面的UI設(shè)計(jì)工過程，主要是傳感器的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)狀態(tài)信息顯示，基本顯示效果如圖4-17所示。APP的界面設(shè)計(jì)需要優(yōu)化，后期可以添加相關(guān)傳感器歷史數(shù)據(jù)的查看和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)曲線的功能[18]。

05

軟硬件實(shí)物調(diào)試

環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件實(shí)物的初步實(shí)驗(yàn)性調(diào)試工作。在實(shí)驗(yàn)性調(diào)試中，通過USB線接上電腦USB接口，實(shí)現(xiàn)供電。系統(tǒng)供上電之后，會(huì)有開機(jī)啟動(dòng)界面顯示。

開機(jī)結(jié)束之后，界面會(huì)停留在系統(tǒng)的功能選擇界面。選擇界面包括了三種功能展示。第一部分是傳感器采集到的數(shù)據(jù)SensorMessage展示, 第二部分是系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息NetworkMessage展示, 第三部分是系統(tǒng)的基本信息SystemMessage展示?；竟δ艿倪x擇界面，如下圖所示。

基于STM32的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的上位機(jī)軟件調(diào)試。在使用該Android應(yīng)用程序時(shí)，APP和無線模組需要一起配合操作。在配網(wǎng)時(shí)，需要把手機(jī)和WiFi同時(shí)連接到同一個(gè)熱點(diǎn)信號(hào)下面，進(jìn)行配置。輸入WiFi的賬號(hào)SSID和Password，選擇WiFi模組的類型進(jìn)行配置。

配置過程中APP和硬件設(shè)備不要進(jìn)行任何操作，否則會(huì)出現(xiàn)配置失敗的情況。如果配置失敗，請(qǐng)按下配網(wǎng)按鍵，重新配置。APP配網(wǎng)流程如下圖所示。

當(dāng)配網(wǎng)成功時(shí)，會(huì)顯示在物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)上面注冊(cè)的設(shè)備名稱。點(diǎn)擊進(jìn)入，則會(huì)顯示相關(guān)傳感器數(shù)據(jù)信息，如下圖所示。

登錄物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的后臺(tái)，選擇查看設(shè)備日志功能，在設(shè)備的運(yùn)行記錄里面，可以查看到上報(bào)的數(shù)據(jù)點(diǎn)信息，并支持動(dòng)態(tài)曲線顯示，如下圖所示。

06

總結(jié)

基于STM32的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，使用了相關(guān)的環(huán)境傳感器設(shè)備去監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境的基本質(zhì)量參數(shù)。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，利用LCD屏幕顯示數(shù)據(jù)信息，能夠顯示基本傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)。

由于顯示效果一般，后期可以添加嵌入式GUI圖形界面，例如LVGL，TouchGFX，emWin。使用無線通信模組與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，完成了基本的通信功能，但在模組的選擇上需要考慮到其穩(wěn)定性和功耗問題。

在上位機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)中，使用了Android應(yīng)用程序去完成遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的功能，但是APP的界面設(shè)計(jì)需要優(yōu)化，后期可以添加相關(guān)傳感器實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)曲線的功能。