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        基于機(jī)智云的環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2021-01-27 03:48:36珩,李
        物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2020年12期
        關(guān)鍵詞:機(jī)智煙霧溫濕度

        張 珩,李 敏

        (西安歐亞學(xué)院 信息工程學(xué)院,陜西 西安 710065)

        0 引 言

        基于機(jī)智云的環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)上傳模塊以及機(jī)智云模塊構(gòu)成,即可通過機(jī)智云實(shí)時(shí)地查看目標(biāo)環(huán)境中對(duì)應(yīng)的環(huán)境數(shù)據(jù)。

        數(shù)據(jù)采集模塊是將各采集節(jié)點(diǎn)連接的傳感器所采集到的數(shù)據(jù),通過A/D模塊轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的可讀數(shù)值,通過射頻模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)上傳平臺(tái)上[1]。并且為滿足數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)種類的多樣性,除了選用常見的測(cè)量溫濕度、光照、煙霧信息的傳感器,還選用測(cè)量雨量以及土壤濕度信息的傳感器。

        數(shù)據(jù)上傳模塊是將由數(shù)據(jù)采集模塊通過射頻傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理,同時(shí)將數(shù)據(jù)通過WiFi上傳到機(jī)智云平臺(tái)。為了滿足本系統(tǒng)通過手機(jī)機(jī)智云APP實(shí)時(shí)查看采集的數(shù)據(jù),并能提供相對(duì)穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境,故選用nRF24L01射頻模塊以及ESP8266 WiFi模塊作為通信模塊。nRF24L01射頻通信模塊將土壤濕度、煙霧濃度、光照度、雨量以及空氣溫濕度數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集模塊傳輸至數(shù)據(jù)上傳模塊,ESP8266 WiFi通信模塊將數(shù)據(jù)上傳模塊處理過的數(shù)據(jù)上傳到機(jī)智云平臺(tái)。

        機(jī)智云模塊是接收由ESP8266 WiFi通信模塊上傳的環(huán)境數(shù)據(jù),再將相應(yīng)的環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸?shù)綑C(jī)智云APP上,這里需要機(jī)智云端與機(jī)智云APP處于同一網(wǎng)絡(luò)下,才能使APP實(shí)時(shí)接收到由數(shù)據(jù)上傳模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

        基于機(jī)智云的環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)在于,系統(tǒng)使用機(jī)智云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè),無需現(xiàn)場(chǎng)布線就能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)目標(biāo)環(huán)境的空氣溫濕度、光照度、土壤濕度、煙霧濃度以及雨量等數(shù)據(jù)。

        1 工作原理

        1.1 設(shè)計(jì)思路

        使用多個(gè)STM32單片機(jī)分別連接多款傳感器,使其形成多個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn),稱之為數(shù)據(jù)采集模塊。每個(gè)采集節(jié)點(diǎn)通過nRF24L01射頻通信模塊連接到數(shù)據(jù)上傳模塊,傳輸環(huán)境數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)上傳模塊通過連接ESP8266 WiFi通信模塊使數(shù)據(jù)上傳到機(jī)智云平臺(tái),比如在手機(jī)APP上顯示目標(biāo)環(huán)境的空氣溫濕度數(shù)據(jù)及煙霧濃度數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)智能互聯(lián),實(shí)時(shí)查看環(huán)境數(shù)據(jù)。

        1.2 總體結(jié)構(gòu)

        基于機(jī)智云的環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)上傳模塊和機(jī)智云模塊,總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 總體結(jié)構(gòu)

        數(shù)據(jù)采集模塊包括溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、雨滴傳感器、煙霧傳感器、光敏傳感器等5種傳感器。數(shù)據(jù)上傳模塊是由射頻通信模塊、WiFi通信模塊與STM32單片機(jī)相連接組成的。機(jī)智云模塊是由機(jī)智云端和機(jī)智云APP組成。

        1.3 模塊設(shè)計(jì)

        1.3.1 硬件設(shè)計(jì)

        硬件設(shè)計(jì)分為單片機(jī)、傳感器、通信模塊三個(gè)部分。

        單片機(jī)分別使用了STM32F103C8T6和STM32F407ZGT6兩款單片機(jī)。

        STM32F103C8T6單片機(jī)的晶振是工作頻率為72 MHz,內(nèi)置高速嵌入式存儲(chǔ)器,以及廣泛的增強(qiáng)I/O口和連接2條APB總線的外圍設(shè)備,提供2個(gè)12位ADC、3個(gè)通用16位定時(shí)器和1個(gè)PWM定時(shí)器,以及標(biāo)準(zhǔn)和高級(jí)通信接口[2]:最多2個(gè)I2C和SPI以及3個(gè)USART。

        STM32F407ZGT6單片機(jī)具有工作頻率為168 MHz的晶振,支持FPU(浮點(diǎn)運(yùn)算)和DSP指令,支持調(diào)試SWD和JTAG,還具有1 024 KB FLASH空間、192 KB SRAM空間、3個(gè)12位A/D以及2個(gè)D/A接口[3]。

        傳感器部分共使用5款不同的傳感器芯片。

        (1)溫濕度傳感器選用的是DHT11。其內(nèi)含一個(gè)電阻感濕元件和NTC測(cè)溫元件,可以同時(shí)對(duì)溫度以及濕度進(jìn)行測(cè)量,將DHT11溫濕度傳感器與MCU相連接,可以傳遞一個(gè)40 bit的數(shù)據(jù)到單片機(jī)中。其中高位先出,數(shù)據(jù)格式由8 bit的濕度整數(shù)、8 bit的濕度小數(shù)、8 bit的溫度整數(shù)、8 bit的溫度小數(shù)、8 bit的校驗(yàn)和組成[4]。使用該模塊時(shí)要注意避免在暴露情況下使用。若要長(zhǎng)期工作或儲(chǔ)存,最好保證溫度在10~40 ℃之間,濕度低于60%,同時(shí)DHT11溫濕度傳感器模塊測(cè)量范圍為:濕度20%RH~90%RH,誤差±5%RH;溫度0~50 ℃,誤差±2 ℃。

        (2)煙霧傳感器選用的是MQ-2。該型號(hào)的煙霧傳感器對(duì)烷類氣體以及煙霧均有較高的靈敏度,具有長(zhǎng)期的使用壽命、較高的穩(wěn)定性和廣泛的探測(cè)范圍,并且該模塊帶有信號(hào)輸出指示燈,同時(shí)具有雙路信號(hào)輸出。同時(shí),煙霧傳感器模塊上帶有LM393比較器,具有簡(jiǎn)單的外圍驅(qū)動(dòng)電路,使用溫度范圍為-10~50 ℃,相對(duì)濕度小于95%時(shí)最佳[5]。

        (3)土壤濕度傳感器選用YL-69。該傳感器與LM393比較器相連接,外圍電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單方便且功耗低,同時(shí)該傳感器體積小巧化設(shè)計(jì),攜帶方便,安裝、操作及維護(hù)簡(jiǎn)單;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,不繡鋼探針保證使用壽命;土質(zhì)影響較小,測(cè)量精度為±3%;響應(yīng)速度[6]小于1 s。

        (4)光敏傳感器選擇光敏電阻傳感器。光敏電阻傳感器常用于光線亮度檢測(cè)、智能小車尋光等方向,傳感器載有光敏電阻以及LM393比較器,光敏電阻對(duì)環(huán)境光線最敏感,常用來檢測(cè)光線亮度,驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)[7]。其工作電壓為3.3~5 V,且?guī)в须娫粗甘緹艉烷_關(guān)指示燈。

        (5)雨滴傳感器上設(shè)有固定螺栓孔,方便安裝,5.0 cm×4.0 cm的尺寸,用鍍鎳處理表面,具有對(duì)抗氧化、導(dǎo)電性及壽命方面更優(yōu)越的性能,并且價(jià)格低廉。

        通信模塊分別為nRF24L01射頻通信模塊和ESP8266 WiFi通信模塊。

        nRF24L01射頻通信模塊采用FSK調(diào)制方式,內(nèi)部集成Enhanced Short Burst 協(xié)議,可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或者1對(duì)6的無線通信,無線通信速度[8]可以達(dá)到2 MB/s。

        ESP8266 WiFi模塊內(nèi)置 TCP/IP 協(xié)議棧,能夠?qū)崿F(xiàn)串口與WiFi之間的轉(zhuǎn)換。該模塊可以快速構(gòu)建串口-WiFi數(shù)據(jù)傳輸方案,方便設(shè)備使用互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)。

        1.3.2 軟件程序設(shè)計(jì)

        軟件程序設(shè)計(jì)主要分為數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)上傳模塊兩部分。數(shù)據(jù)采集模塊的程序流程如圖2所示。數(shù)據(jù)上傳模塊的程序流程如圖3所示。

        圖2 數(shù)據(jù)采集模塊的程序流程

        圖3 數(shù)據(jù)上傳模塊的程序流程

        數(shù)據(jù)采集程序中首先是要進(jìn)行相關(guān)函數(shù)的初始化,例如LED初始化函數(shù)、AD初始化函數(shù)等;其次需要判斷傳輸數(shù)據(jù)所采用的射頻模塊是否存在,并且若該模塊存在設(shè)置模塊為發(fā)送模式。針對(duì)DHT11空氣溫濕度傳感器同時(shí)也需要判斷該芯片是否存在;最后需要循環(huán)讀取各傳感器經(jīng)A/D模塊轉(zhuǎn)換后的模擬電壓值,再將數(shù)據(jù)通過射頻模塊發(fā)送出去,由數(shù)據(jù)上傳模塊接收。

        數(shù)據(jù)上傳程序循環(huán)采集數(shù)據(jù)并上傳至云端。先進(jìn)行相關(guān)函數(shù)的初始化;接著判斷射頻模塊以及WiFi模塊是否存在,若存在則設(shè)置射頻模塊為接收模式,將WiFi模塊設(shè)為Airlink模式,轉(zhuǎn)換環(huán)境數(shù)據(jù)格式;最終調(diào)用機(jī)智云用戶采集函數(shù)以及對(duì)應(yīng)通信協(xié)議完成數(shù)據(jù)上傳即可[9]。

        1.3.3 機(jī)智云設(shè)計(jì)

        本次機(jī)智云設(shè)計(jì)分為設(shè)備的創(chuàng)建和機(jī)智云APP兩部分。機(jī)智云設(shè)備創(chuàng)建步驟如下:

        (1)登錄機(jī)智云首頁(yè),注冊(cè)機(jī)智云賬號(hào),進(jìn)入開發(fā)者中心頁(yè)面,點(diǎn)擊創(chuàng)建新產(chǎn)品,在產(chǎn)品分類中選擇對(duì)應(yīng)的大類;

        (2)填寫產(chǎn)品名稱。

        選擇技術(shù)方案(WiFi/移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)方案、藍(lán)牙方案、網(wǎng)關(guān)方案),本次設(shè)計(jì)選擇WiFi/移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)方案。

        選擇通信方式(WiFi、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、NB-IoT),本次設(shè)計(jì)選擇通信方式為WiFi。

        選擇數(shù)據(jù)傳輸方式(定長(zhǎng)、變長(zhǎng)),“定長(zhǎng)”指在功能數(shù)據(jù)點(diǎn)上報(bào)下發(fā)時(shí)一并傳輸;“變長(zhǎng)”指在功能數(shù)據(jù)點(diǎn)上報(bào)下發(fā)時(shí)傳輸改變的功能數(shù)據(jù)點(diǎn)。本次設(shè)計(jì)選擇定長(zhǎng)數(shù)據(jù)傳輸方式。

        選擇功耗類型(正常、低功耗),本次設(shè)計(jì)選擇正常功耗類型。

        選擇完畢后,點(diǎn)擊保存即可。

        (3)打開基本信息界面,點(diǎn)擊Prduct Secret右側(cè)“顯示完整密鑰按鍵”,輸入機(jī)智云賬號(hào)密碼,獲取完整密鑰并將密鑰保存,方便后續(xù)使用[10]。

        (4)進(jìn)入數(shù)據(jù)點(diǎn)頁(yè)面,點(diǎn)擊創(chuàng)建數(shù)據(jù)點(diǎn),填寫標(biāo)識(shí)名。標(biāo)識(shí)名為程序中所涉及變量的名稱,本次設(shè)計(jì)中,標(biāo)識(shí)名分別為wendu、shidu、rain、smoke、soil、light。由于基于機(jī)智云的環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)只涉及數(shù)據(jù)的上傳,故本次設(shè)計(jì)讀寫類型選擇只讀類型,數(shù)據(jù)類型選擇為數(shù)值型即可。

        (5)點(diǎn)擊添加按鈕,完成數(shù)據(jù)點(diǎn)創(chuàng)建。

        由機(jī)智云官網(wǎng)生成設(shè)備對(duì)應(yīng)的MCU代碼,自行根據(jù)需求進(jìn)行移植。

        機(jī)智云APP是在機(jī)智云官網(wǎng)下載基礎(chǔ)的demo版本(Android版本),根據(jù)自己的需求在Android Studio軟件上進(jìn)行修改。機(jī)智云界面如圖4所示。

        圖4 機(jī)智云界面

        從圖4可以依次看到,溫度、濕度、雨量、煙霧、土壤濕度以及光照度的圖案,最終將在圖案后顯示采集到的環(huán)境數(shù)值。

        2 結(jié) 語(yǔ)

        本文設(shè)計(jì)一款基于機(jī)智云的環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)采用最小系統(tǒng)板進(jìn)行開發(fā),裝置占地面積小,并且具有成本低、容易安裝和檢修方便等優(yōu)點(diǎn)。

        基于機(jī)智云的環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用了物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù),即通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)。搭建起用戶和系統(tǒng)的平臺(tái),用戶可通過手機(jī)界面查看目標(biāo)環(huán)境的環(huán)境數(shù)據(jù),決定是否進(jìn)行其他操作,例如:煙霧濃度過大,考慮目標(biāo)環(huán)境是否有火災(zāi)發(fā)生等;智能化的系統(tǒng)節(jié)省了大量的人力、物力及財(cái)力的投入。機(jī)智云平臺(tái)在運(yùn)行中十分穩(wěn)定,保證了系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

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