李翠梅 譚一柳

（1.江西科技師范大學(xué)，江西 南昌 330013；2.江西省水務(wù)集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330072）

將用于采集溫濕度數(shù)據(jù)的APP下載到手機(jī)、平板電腦等便攜式終端設(shè)備上，可充分發(fā)揮移動(dòng)終端快捷便利的特點(diǎn)，它可隨時(shí)隨地實(shí)時(shí)檢測(cè)某一環(huán)境溫濕度情況，做到了生活上的便捷化、高效化。因此可憑借單片機(jī)、服務(wù)器與移動(dòng)終端這三者之間的相互通信，設(shè)計(jì)出一種基于手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)無(wú)線遠(yuǎn)程智能檢測(cè)特定環(huán)境下的溫濕度系統(tǒng)，以滿足人們追求更為舒適的生活環(huán)境的美好愿望。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)整體方案可分為硬件部分和軟件部分，涉及控制層、通訊層和應(yīng)用層等。系統(tǒng)硬件部分主要是由單片機(jī)和溫濕度采集數(shù)據(jù)模塊、聯(lián)網(wǎng)模塊和外圍設(shè)備組成。軟件部分主要分為單片機(jī)控制溫濕度采集系統(tǒng)、液晶屏顯示，并通過(guò)WIFI模塊將溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)端，服務(wù)端將收到的溫濕度數(shù)據(jù)保存，手機(jī)安卓等移動(dòng)端可從服務(wù)端下載數(shù)據(jù)并將獲取到的數(shù)據(jù)顯示出來(lái)。整個(gè)硬件設(shè)計(jì)框架如圖1所示，采用STM32單片機(jī)芯片、溫度檢測(cè)模塊DS18B20、濕度檢測(cè)模塊HR202，WIFI模塊ESP8266、2.8寸TFT LCD顯示屏等。

其主要設(shè)計(jì)原理是：STM32單片機(jī)采集溫度傳感器和濕度傳感器的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，通過(guò)WIFI模塊將數(shù)據(jù)上傳。因此，整個(gè)系統(tǒng)可劃分為三大部分：溫濕度采集模塊，數(shù)據(jù)上傳模塊和顯示 模塊。

1）溫濕度采集模塊：由DS18B20、HR202和STM32單片機(jī)組成，可以實(shí)時(shí)采集此環(huán)境下溫濕度信號(hào)的變化。

2）顯示模塊：通過(guò)單片機(jī)IO口驅(qū)動(dòng)液晶顯示屏，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)同頻顯示單片機(jī)采集到的溫濕度數(shù)據(jù)。

3）服務(wù)器上傳模塊：通過(guò)STM32的UART引腳與WIFI模塊通信，發(fā)送數(shù)據(jù)至云服務(wù)器。

圖1 系統(tǒng)硬件整體框架圖

圖2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)流程圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 程序設(shè)計(jì)流程圖

溫濕度信號(hào)采集流程圖如圖2所示。其中，采樣周期（1s）由定時(shí)器Timer以中斷形式進(jìn)行控制，即當(dāng)中斷次數(shù)累加到一定數(shù)值后，STM32即通過(guò)向溫度模塊發(fā)出測(cè)量溫度命令，溫度模塊在接收到測(cè)量溫度命令后，開(kāi)始進(jìn)行相應(yīng)測(cè)量，并在延遲85ms后將測(cè)量結(jié)果回傳至STM32，同時(shí)STM32控制濕度模塊進(jìn)行濕度檢測(cè)，讀取到濕度值。當(dāng)所有數(shù)據(jù)檢測(cè)完成時(shí)，打開(kāi)ESP8266通過(guò)TCP/IP協(xié)議向服務(wù)器發(fā)送檢測(cè)到的數(shù)據(jù)。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)MQTT協(xié)議

2.2.1 MQTT協(xié)議介紹

MQTT即消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議（后來(lái)改名為EMQ），此協(xié)議基于發(fā)布/訂閱（publish/subscribe）模式，是一種“輕量級(jí)”的通訊協(xié)議，該協(xié)議發(fā)布于1999年，是在TCP/IP協(xié)議基礎(chǔ)上構(gòu)建得來(lái)。MQTT代碼極少和帶寬有限的特點(diǎn)，可為遠(yuǎn)程設(shè)備的連接提供可靠的服務(wù)。MQTT低開(kāi)銷、低帶寬占用、即時(shí)通訊等優(yōu)點(diǎn)，使其較廣泛地應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信等方面。同時(shí)MQTT為了支持ESP8266，為此專門(mén)推出獨(dú)有固件，只需要將編譯固件燒錄到ESP8266即可。

圖3 MQTT協(xié)議流程圖

MQTT協(xié)議中有三種身份：發(fā)布者、服務(wù)器、訂閱者（可以是手機(jī)客戶端或PC端）。其中，消息的發(fā)布者可以同時(shí)是訂閱者，消息的發(fā)布者和訂閱者都是手機(jī)客戶端，MQTT協(xié)議的實(shí)現(xiàn)需要客戶端和服務(wù)器的配合。

本項(xiàng)目用STM32作為發(fā)送客戶端，將MQTT協(xié)議（需要參數(shù)修改）移植到ESP8266當(dāng)中，通過(guò)ESP8266將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。同時(shí)對(duì)服務(wù)器搭建采用基于LINUX內(nèi)核的CentOS6.8服務(wù)器專用系統(tǒng)，安裝MQTT協(xié)議至服務(wù)器上，再打開(kāi)服務(wù)器，監(jiān)聽(tīng)端口，等待客戶端的數(shù)據(jù)傳輸。

2.2.2 ESP8266固件代碼編寫(xiě)

根據(jù)官方手冊(cè)，需要對(duì)官方代碼進(jìn)行修改。把STA_SSID和STA_PASS修改為自己的WiFI名和密碼；將MQTT_USER和MQTT_PASS修改為對(duì)應(yīng)的MQTT服務(wù)器的用戶名和密碼；將MQTT_HOST和MQTT_PORT修改為MQTT服務(wù)器IP和PORT，目前是使用外網(wǎng)的MQTT服務(wù)器，所以是修改為自己服務(wù)器的IP地址，PORT是端口整數(shù)型為1883。

2.2.3 MQTT服務(wù)器搭建

服務(wù)器采用騰訊推出的ECS云服務(wù)器。騰訊云為推廣云+校園項(xiàng)目，對(duì)于在校學(xué)生有巨大優(yōu)惠。購(gòu)買(mǎi)完成后，進(jìn)入控制臺(tái)，對(duì)云服務(wù)器進(jìn)行設(shè)置。選擇操作系統(tǒng)為CentOS 6.8 64位。設(shè)置完成后在個(gè)人界面會(huì)顯示云服務(wù)器，查看云服務(wù)器IP地址記錄下來(lái)，設(shè)置好遠(yuǎn)程連接帳號(hào)密碼，通過(guò)電腦-遠(yuǎn)程桌面連接，即可連接至云服務(wù)器。

3 運(yùn)行結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)特定工作環(huán)境的溫濕度遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)檢測(cè)。由DS18B20、HR202和STM32單片機(jī)組成溫濕度采集模塊，可以實(shí)時(shí)的采集溫濕度信號(hào)的變化，通過(guò)單片機(jī)IO口驅(qū)動(dòng)顯示屏模塊實(shí)時(shí)顯示單片機(jī)采集過(guò)來(lái)的溫濕度數(shù)據(jù)，通過(guò)STM32的UART引腳與WIFI模塊通信，并將數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器，服務(wù)端將收到的溫濕度數(shù)據(jù)保存，手機(jī)安卓等移動(dòng)端可從服務(wù)端下載數(shù)據(jù)并將獲取到的數(shù)據(jù)顯示出來(lái)。