高圣偉，李 旭，李龍女，劉曉明

(天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，天津 300387)

0 引言

新風(fēng)機是一種有效的空氣凈化設(shè)備，能夠使室內(nèi)空氣產(chǎn)生循環(huán)，一方面把室內(nèi)污濁的空氣排出室外，另一方面把室外新鮮的空氣經(jīng)過殺菌，消毒、過濾等措施后，再輸入到室內(nèi)，讓房間里每時每刻都是新鮮干凈的空氣。新風(fēng)機運用新風(fēng)對流專利等技術(shù)，通過內(nèi)部獨特的設(shè)計結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)自動的送風(fēng)和引風(fēng)，使室內(nèi)空氣實現(xiàn)對流，從而最大程度的讓室內(nèi)空氣置換。新風(fēng)機內(nèi)部還設(shè)置有多功能凈化系統(tǒng)，以此來保證進(jìn)入室內(nèi)的空氣的潔凈和健康。目前，新風(fēng)機主要分為排風(fēng)式和送風(fēng)式兩種類型，可以保證在絕大部分室內(nèi)環(huán)境下的安裝。新風(fēng)機安裝方便，使用起來也很舒適?？梢哉f，新風(fēng)機是家居生活必不可少的健康伴侶。決定新風(fēng)機性能的最重要因素是其凈化效率。我們以PM2.5氣體濃度為樣本，設(shè)計了一種新風(fēng)機監(jiān)測系統(tǒng)，用來實時監(jiān)測新風(fēng)機入風(fēng)口和出風(fēng)口的PM2.5濃度值的變化。

該系統(tǒng)硬件基于STM32系列芯片，這類芯片使得系統(tǒng)具有很強大的控制和檢測能力，每個使用STM32芯片的設(shè)備均外接了6個接口，每個接口都采用插拔式接口，因此設(shè)備具有很強的擴展能力，安裝方便。STM32芯片外設(shè)單元豐富，可以達(dá)到大部分設(shè)備要求的精度和范圍，保證系統(tǒng)能夠支持大量不同類型的傳感器，監(jiān)測更加全面，準(zhǔn)確。

數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)采用ESP8266無線模塊，可以將采集到的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)絆neNet云平臺，通過用VB編寫的上位機，可以隨時更改無線網(wǎng)的用戶名和密碼，保證在新的網(wǎng)絡(luò)下也可以使用；VB上位機還支持OneNet云平臺密鑰和設(shè)備名的修改，風(fēng)壓模擬量常數(shù)參數(shù)的修改以及發(fā)送數(shù)據(jù)頻率的修改。

本文設(shè)計且實現(xiàn)的系統(tǒng)整體性能高，擴展性強，安裝方便且體積小，具有攜帶方便，快速布置，靈活應(yīng)用的優(yōu)勢。

1 系統(tǒng)簡介

本控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用分層控制方式將數(shù)據(jù)從傳感器層上傳到控制板層，再從控制板層上傳到OneNet層，其好處在于，可以在每一層都對數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷處理，獲得需要的數(shù)據(jù)或更改不符合要求的數(shù)據(jù)，有很強的靈活性。通過傳感器采集新風(fēng)機出入口溫濕度；出入口PM2.5；出入口與大氣的壓差等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以反映新風(fēng)機對空氣的處理能力以及對周邊環(huán)境的影響，從而直觀表現(xiàn)出新風(fēng)機的凈化效率。無線傳輸方面采用ESP8266無線模塊，ESP8266模塊使用簡單，功耗低，可以通過連接無線路由器，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的云端訪問與控制[1]。

主控制板首先與上位機進(jìn)行通訊，配置無線網(wǎng)的用戶名和密碼，風(fēng)壓傳感器的校正參數(shù)以及OneNet云平臺對應(yīng)的設(shè)備名和秘鑰。配置好參數(shù)后重新啟動設(shè)備，等待設(shè)備自動聯(lián)網(wǎng)并發(fā)送數(shù)據(jù)給OneNet云平臺。用戶可以登錄云平臺查看采集到的數(shù)據(jù)。主控制板的6個傳感器支持隨時插拔和更換，用戶也可以根據(jù)需求或環(huán)境的不同自主選擇需要使用的傳感器，目前設(shè)備支持三種傳感器類型，即：串口類型傳感器、單總線類型傳感器和模擬量傳感器（上位機軟件支持模擬量傳感器的線性校正）。

圖1 嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 硬件設(shè)計

本文設(shè)計的系統(tǒng)，硬件基于STM32芯片，具有很強的擴展能力，易于移植，其外設(shè)單元資源豐富，能夠達(dá)到系統(tǒng)要求的精度和范圍[2]。本系統(tǒng)用到的功能有串口，ADC采集，I/0口等，能獨立、高效地完成對多種設(shè)備信息的采集和上傳，同時系統(tǒng)具備擴展和升級的能力（如圖2）。

圖2 嵌入式系統(tǒng)硬件架構(gòu)

STM32用的是基于Cortex-M3內(nèi)核的處理器，在運行模式下，最大電流也僅有27毫安，在待機模式下，功耗極低，典型的耗電電流僅有2微安[3]。

內(nèi)部ADC模塊有16個通道，1MHz轉(zhuǎn)換效率和12位轉(zhuǎn)換結(jié)果（即最大4096），轉(zhuǎn)換范圍為0-3.3V，通過一個電壓跟隨器連接到風(fēng)壓傳感器上；RS232和I/O口連接到溫濕度傳感器和PM2.5傳感器上；IIC接口接24C02芯片來保存設(shè)置參數(shù)。

本系統(tǒng)選用了三種傳感器，分別是檢測風(fēng)壓信號的風(fēng)壓傳感器，傳感器采用兩線制，輸出電流4-20mA，量程范圍為0-30Pa，12V到24V供電，通過并聯(lián)2個300歐姆的電阻將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號并控制在3V以內(nèi)傳給電壓跟隨器來校正輸入電壓，最后通過主控芯片的ADC模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳到云平臺；檢測溫濕度信號的溫濕度傳感器采用AM2302，可以檢測-40?～80?的環(huán)境溫度，0%-99%的環(huán)境濕度，輸出數(shù)字信號，精度可以達(dá)到小數(shù)點后一位，通過IIC總線將數(shù)據(jù)傳輸給單片機并發(fā)送給云平臺；檢測環(huán)境中PM2.5濃度變化的PM傳感器采用攀藤PMS3003，每秒輸出一個帶包頭和校驗位的數(shù)據(jù)包，直接發(fā)送給串口，串口解析并提取數(shù)據(jù)發(fā)送給云平臺。

系統(tǒng)的無線模塊用的是樂鑫公司生產(chǎn)的ESP8266系列。ESP8266支持softAP（無線接入點，類似無線路由器）模式，station（無線終端）模式和softAP-station模式。利用ESP8266可以實現(xiàn)十分靈活的組網(wǎng)方式和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。ESP8266使用UART/SPI同單片機進(jìn)行通信，可以選擇使用透傳模式（即單片機發(fā)送什么數(shù)據(jù)，ESP8266只發(fā)送數(shù)據(jù)，不對數(shù)據(jù)做加工處理）將數(shù)據(jù)發(fā)送到OneNet網(wǎng)站服務(wù)器端口，從而實現(xiàn)新風(fēng)機的聯(lián)網(wǎng)。

最后整個系統(tǒng)的電源設(shè)計。電源采用2953A的電壓轉(zhuǎn)換芯片，可以將12V電壓轉(zhuǎn)為5V電壓，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)95%以上，功耗低，發(fā)熱量小。

3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)在軟件設(shè)計上一共包含四個配置部分即：主機配置，傳感器配置，網(wǎng)絡(luò)配置和上位機配置。

主機配置（如圖3）流程比較簡單，主要是完成對外圍設(shè)備，ADC模塊，串口模塊，IIC模塊的初始化，開始獲得傳感器的數(shù)據(jù)。之后通過讀取24C02模塊的存儲信息，獲得聯(lián)網(wǎng)密碼和OneNet服務(wù)器的設(shè)備名，密鑰，再通過網(wǎng)絡(luò)配置之后，即可將數(shù)據(jù)發(fā)送到OneNet云平臺實時顯示。

圖3 主機配置流程圖

傳感器配置（如圖4）流程簡要介紹了傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)到主機接收數(shù)據(jù)的全部流程。所有傳感器上電后開始工作并向主機發(fā)送信號，主機接收信號并開始判斷信號的正確性，如果判斷信號無誤，就會下發(fā)接收數(shù)據(jù)的命令，傳感器收到命令后開始發(fā)送數(shù)據(jù)，主機接收數(shù)據(jù)提取有效值后發(fā)送到云平臺。

圖4 傳感器配置流程圖

網(wǎng)絡(luò)配置（如圖5）流程簡要介紹了ESP8266從啟動到發(fā)送完成一次數(shù)據(jù)的流程。ESP8266內(nèi)置有一個簡單的交互界面，可以通過串口和主控芯片進(jìn)行交互。ESP8266上電后，主機會發(fā)送啟動指令給ESP8266，待主控芯片接收到返回信號后，開始進(jìn)行ESP8266的配置，包括無線網(wǎng)模式，無線網(wǎng)用戶名和無線網(wǎng)密碼，服務(wù)器通信協(xié)議，服務(wù)器地址和數(shù)據(jù)傳輸模式。全部設(shè)置好后ESP8266返回配置完成指令，開始將數(shù)據(jù)發(fā)送給OneNet云平臺。網(wǎng)絡(luò)配置中的服務(wù)器通信模式包含兩種協(xié)議，即HTTP協(xié)議和EDP協(xié)議，本系統(tǒng)采用的是HTTP協(xié)議，HTTP協(xié)議相較于EDP協(xié)議，有著更簡單的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)處理指令，可通過數(shù)據(jù)指令在網(wǎng)絡(luò)助手上獲取信息或發(fā)送信息，簡單可靠。

圖5 網(wǎng)絡(luò)配置流程圖

整套軟件設(shè)計的思想主要是分層思想，從整體上看，整個系統(tǒng)分為三層，分別是以傳感器配置流程代表的發(fā)送層，以網(wǎng)絡(luò)配置為代表的發(fā)送層，以主機配置為代表的數(shù)據(jù)處理層。每一層都對數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，包括把環(huán)境信號變成數(shù)字信號，把數(shù)字信號變成有用的數(shù)字信號，以及把數(shù)字信號變成無線信號等流程。設(shè)計的獨立性與系統(tǒng)的完整性帶來了革命性的變化，使程序變得更容易修改，使程序擁有更好的可讀性與可移植性，以及對于錯誤的范圍的可確定性，極大地幫助了用戶對程序的深入理解，以及產(chǎn)生對整個系統(tǒng)的條理性的概念。

圖6 上位機界面

最后介紹的是上位機配置。上位機配置與整個系統(tǒng)并無直接的關(guān)聯(lián)，但卻是最不可缺少的部分。設(shè)備在離開一個固定網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)用戶名和密碼被用戶更改時，設(shè)備會連接網(wǎng)絡(luò)失敗，需要更換新的用戶名和密碼。OneNet云平臺的最大掛載設(shè)備為30個，如果設(shè)備超出了30個，則需要更換新的密鑰，如果要增加新設(shè)備，那么設(shè)備還需要更換新的設(shè)備名。此外，風(fēng)壓傳感器的輸出電流和真實風(fēng)壓之間存在一個線性關(guān)系，由直線的斜率k和截距b確定，且每臺設(shè)備的線性關(guān)系有略微不同，也需要更改。以上這些問題的解決方案就是通過上位機和串口來進(jìn)行更改。上位機的界面（如圖6）所示。

4 結(jié)論

數(shù)據(jù)上傳成功后打開OneNet云平臺可以看到最終結(jié)果（如圖7）。在OneNet云平臺上設(shè)置一個應(yīng)用后可以在網(wǎng)頁上發(fā)布。通過電腦或手機登錄網(wǎng)頁，可以在線實時監(jiān)測新風(fēng)機運行的各項數(shù)據(jù)，還可以通過網(wǎng)頁向新風(fēng)機下達(dá)開啟/關(guān)斷的命令，實時控制新風(fēng)機的工作。

圖7 顯示結(jié)果

5 結(jié)束語

OneNET是中國移動打造的物聯(lián)網(wǎng)開放平臺，其開發(fā)文檔完善，開發(fā)者只需按照OneNET平臺的規(guī)范接入平臺，上傳設(shè)備數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲在云端，需要時，可以從云平臺下載到本地進(jìn)行分析[4]。OneNET物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)已經(jīng)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)控、智能家電、智能硬件、節(jié)能減排、車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制等多種商業(yè)領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)開放平臺OneNET通過打造接入平臺、能力平臺、大數(shù)據(jù)平臺來滿足物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域設(shè)備連接、協(xié)議適配、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)安全、大數(shù)據(jù)分析等平臺級服務(wù)需求。

下一步，對物聯(lián)網(wǎng)研究的重心將會放在基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things,NB-IoT）上。NB-IoT類似于手機的聯(lián)網(wǎng)模式，不僅可以解決設(shè)備無需用戶名密碼聯(lián)網(wǎng)的問題，也可以保證設(shè)備的超長待機時間。在蜂窩物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，中國移動目前聚焦在低功耗、長續(xù)航、廣覆蓋、大連接的垂直行業(yè)需求，同時強調(diào)終端模組、網(wǎng)絡(luò)以及物聯(lián)網(wǎng)平臺協(xié)同發(fā)展，致力于提供業(yè)界領(lǐng)先的端、管、云服務(wù)體系[5]。可以預(yù)見，云平臺和控制系統(tǒng)的結(jié)合是未來嵌入式發(fā)展的一大趨勢，而廣泛的應(yīng)用和成本的低廉這些優(yōu)點也促進(jìn)了云平臺和控制系統(tǒng)的高速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)(References):

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[2]丁力,宋志平,徐萌萌,陶燦輝.基于STM32的嵌入式測控系統(tǒng)設(shè)計[J].中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2013.44(S1):260-265

[3]楊歡歡,秦會斌,金步平.基于STM32的溫室遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制系統(tǒng)[J].無線電通信技術(shù),2015.41(5):77-80

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[5]郭曉巖.中國移動物聯(lián)網(wǎng)之路:聚焦蜂窩物聯(lián)網(wǎng) 深耕OneNET平臺能力[J].通信世界,2017.11:35