嚴清虎，龔家元，2，汪雪濤

（1.湖北汽車工業(yè)學院 汽車工程師學院，湖北 十堰 442002；2.哈爾濱工程大學 水聲工程學院，黑龍江 哈爾濱 150050）

隨著傳感器和微處理器技術(shù)不斷發(fā)展，自動氣象站逐漸取代了人工觀測方式，測量精度和工作效率都大幅提高，但在一些環(huán)境惡劣的地區(qū)，依靠有線傳輸?shù)臋z測方式難以實現(xiàn)［1］。傳統(tǒng)風速測量系統(tǒng)的無線通信采用國外VHF通信機，設(shè)備成本高，數(shù)據(jù)傳輸靈活性差，無線設(shè)備體積較大，可擴展性也受到限制［2］。針對風速測試方案，邵玫提出了基于單片機的風速檢測系統(tǒng)［3］，李安迎等人提出基于三杯式風速傳感器的風速監(jiān)測站設(shè)計［4］，馬國強等人設(shè)計了小型多功能氣象監(jiān)測系統(tǒng)［5］。上述系統(tǒng)測試方案由于受到MCU 控制芯片功能的限制，需要通過有線方式與上位機建立通信，在PC 端實現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄、保存、顯示、分析等功能。STM32因其在功耗、可靠性、實時性以及運行速度等方面有明顯的優(yōu)勢，在風速測試系統(tǒng)被廣泛研究。呂敏提出了基于STM32的風速風向測試系統(tǒng)設(shè)計［6］，李長才等人提出了基于STM32的風速監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計［7］；陳凱奇等人提出了無線風速監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計［8］，王立亮等人提出了基于LoRa無線通信協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)風速風向監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計［9］。這類設(shè)計方案具有獨立于上位機的采集分析系統(tǒng)，并具有強大的處理和控制功能，滿足功能測試要求，但需要鋪設(shè)線路進行數(shù)據(jù)傳輸，僅適用于短距離范圍。文中采用MQTT［10］-［11］技術(shù)搭載無線風速監(jiān)測系統(tǒng)，以STM32 作為風速測試系統(tǒng)的控制核心，實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)傳感器設(shè)備、微信小程序客戶端和云服務(wù)器端之間的雙向通信，可實時、準確地將數(shù)據(jù)遠程傳輸?shù)皆贫朔?wù)器中，同時下發(fā)至用戶端監(jiān)測。

1 風速測量原理及系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

1.1 風速測量原理

選用VMS-3000-FSJT 型NPN 脈沖型風速儀，風速儀的3個風杯安裝在1個可自由旋轉(zhuǎn)的軸上，軸上裝有磁棒盤，風杯組在風的驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生若干旋轉(zhuǎn)磁場，磁場通過霍爾傳感器輸出脈沖信號。由于風速儀輸出為高頻率的脈沖，文中采用脈沖計數(shù)法，即單位時間內(nèi)統(tǒng)計脈沖信號個數(shù)，根據(jù)風速儀的分辨率結(jié)合脈沖數(shù)得出風速儀的風速值。風速儀的測量脈沖信號時序見圖1。當風速儀轉(zhuǎn)動時輸出脈沖信號，捕獲脈沖信號的上升沿并計數(shù)，根據(jù)單位時間內(nèi)的脈沖信號總數(shù)得到風速值：

圖1 脈沖信號時序圖

式中：V為風速值；N為單位時間內(nèi)脈沖信號總數(shù)；P為風速儀的分辨率，取為0.0875。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)總體架構(gòu)見圖2。風速環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集端、服務(wù)器端和客戶端構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集端使用風速傳感器完成現(xiàn)場信息采集，STM32單片機最小系統(tǒng)負責處理監(jiān)測點風速數(shù)據(jù)，并顯示在顯示模塊中，當風速值超過閾值時，蜂鳴器報警，LED指示燈被點亮。服務(wù)器端使用ESP8266 模塊連接到WiFi 路由器上進行局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)通信，采用MQTT 協(xié)議將下位機采集的數(shù)據(jù)上傳至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺進行數(shù)據(jù)交互，下位機與服務(wù)器端實現(xiàn)雙向通信。客戶端采用微信小程序作為主要的人機交互界面，也可以通過阿里云IoT Studio 云平臺搭建的Web界面顯示。從阿里云服務(wù)器上獲取數(shù)據(jù)并顯示在微信小程序的窗口中，進行遠程無線監(jiān)測。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計框圖

2 系統(tǒng)硬件方案設(shè)計

硬件架構(gòu)設(shè)計如圖3 所示。系統(tǒng)硬件方案由STM32 單片機最小系統(tǒng)板模塊、ESP8266 模塊、路由器模塊、風速傳感器模塊、電源供電模塊、TFT顯示屏模塊、USB轉(zhuǎn)TTL串口通信模塊、PC機、手機、云服務(wù)器模塊和硬件電路組成。

圖3 硬件架構(gòu)設(shè)計

1）控制器 系統(tǒng)的主控制器采用基于ARM Cortex-M3核心的32位微控制器，選用STM32F103 C8T6芯片，它支持各種外設(shè)接入，集成豐富的內(nèi)核和外設(shè)資源，具有較強的可擴展性。

2）無線通信模塊 采用ESP8266 芯片作為無線通信模塊，此模塊具有超低功耗的串口透傳功能，其內(nèi)置了TCP/IP協(xié)議棧，支持互聯(lián)網(wǎng)或者局域網(wǎng)的通信。

3）風速傳感器模塊 選用VMS-3000-FSJT型號的NPN脈沖型風速儀，風速儀可以輸出0～5 V高低交替電平方波信號，最大灌電流為100 mA。因為進行單線數(shù)據(jù)通信，在一定程度上提高了測量風速的抗干擾能力，當使用電壓信號時，需要在電源端和輸出信號之間接入5.1 kΩ上拉電阻。

4）電源管理模塊 采用LM2596 和AMS1117進行組合設(shè)計確保系統(tǒng)穩(wěn)定工作，2種芯片都具有低成本、高線性度，輸出穩(wěn)定等特點。直流穩(wěn)壓電源如圖4所示。

圖4 直流穩(wěn)壓電源電路圖

5）TFT 顯示屏模塊 選用內(nèi)嵌ST7735S 驅(qū)動芯片的1.44 寸TFT 液晶顯示器，使用SPI 總線接口方式與最小系統(tǒng)板STM32 進行數(shù)據(jù)傳輸，方便用戶近距離查看風速狀況信息。

6）通信模塊 采用USB 轉(zhuǎn)TTL 串口來實現(xiàn)STM32 與PC 機進行雙向全雙工異步通信，能夠下載HEX文件程序以及方便程序代碼的調(diào)試。

7）檢測模塊 手機端加載微信小程序APP 查看風速數(shù)據(jù)并實時監(jiān)測，云服務(wù)器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、處理以及轉(zhuǎn)發(fā)的功能，保證設(shè)備之間數(shù)據(jù)的同步更新，完成數(shù)據(jù)雙向?qū)崟r傳輸。

3 系統(tǒng)軟件方案設(shè)計

采用模塊化思想設(shè)計系統(tǒng)軟件。下位機軟件由系統(tǒng)初始化程序、定時器外部中斷輸入捕獲子程序、TFT 顯示子程序、USART 串口通信子程序、ESP8266-WiFi 模塊無線通信子程序等組成，完成數(shù)據(jù)采集。上位機軟件包括服務(wù)器端的阿里云的物聯(lián)網(wǎng)云平臺Web界面設(shè)計和客戶端的微信小程序設(shè)計。數(shù)據(jù)采集端通過ESP8266 程序模塊連接到阿里云MQTT云服務(wù)器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向通信。服務(wù)器端通過阿里云IoT Studio應(yīng)用開發(fā)搭建Web界面，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲轉(zhuǎn)發(fā)以及可視化。客戶端通過阿里云MQTT 云服務(wù)器接入API連接到微信小程序。系統(tǒng)下位機軟件流程如圖5所示。

圖5 下位機軟件流程圖

MQTT消息傳輸方式如圖6所示。在消息傳輸過程中，涉及發(fā)布者、代理（服務(wù)器）和訂閱者［12-13］。消息的發(fā)布者在系統(tǒng)中充當物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測節(jié)點，微信小程序作為消息的訂閱者，阿里云云端服務(wù)器作為消息代理者。

圖6 MQTT消息傳輸框圖

依托阿里云IoT Studio物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)平臺完成可視化Web 搭建，從物聯(lián)網(wǎng)平臺接入設(shè)備和設(shè)備管理模塊中獲取數(shù)據(jù)。可視化Web界面可以在阿里云云端上訪問，也可以直接綁定到指定域名上訪問。阿里云平臺接入步驟如圖7所示。

圖7 阿里云平臺

微信小程序界面設(shè)計主要包含登錄界面、環(huán)境監(jiān)測界面和登錄日志界面。登錄界面調(diào)用本地數(shù)據(jù)存儲API接口［14］來保存用戶名和密碼，初次使用需要注冊新用戶。環(huán)境監(jiān)測界面需獲取用戶位置權(quán)限才能顯示當前天氣預(yù)報信息，同時可以查看實時環(huán)境監(jiān)測信息。登錄日志界面通過調(diào)用同步讀取本地數(shù)據(jù)API接口，顯示用戶登錄次數(shù)和登錄時間。微信小程序設(shè)計流程如圖8所示。

圖8 微信小程序設(shè)計流程圖

4 系統(tǒng)測試

1）功能測試 按照設(shè)計方案，將各模塊與STM32主控制器搭建起來，系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測節(jié)點如圖9 所示。把編寫的下位機程序?qū)懭隨TM32 模塊中，進行編譯運行，實現(xiàn)數(shù)據(jù)現(xiàn)場采集。ESP8266無線模塊連接路由器，當數(shù)據(jù)開始正常發(fā)送時，登錄阿里云IoT Studio 應(yīng)用平臺，打開Web 可視化界面，同時在微信小程序手機模擬器端實時查看對應(yīng)數(shù)據(jù)點信息，確認數(shù)據(jù)是否同步。Web可視化界面如圖10 所示，小程序手機端的界面如圖11 所示。系統(tǒng)測試成功后，將下位機編寫程序生成的Hex文件下載到核心板的Flash 中，通過5 V 轉(zhuǎn)12 V 的USB線纜連接獨立電源給系統(tǒng)供電，使系統(tǒng)電路正常工作。發(fā)布Web 可視化界面并綁定指定域名，上傳小程序代碼到微信平臺審核，并在線上發(fā)布。

圖9 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測節(jié)點

圖10 Web可視化界面

圖11 微信小程序界面

2）穩(wěn)定性測試 系統(tǒng)基于MQTT 消息傳輸協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，MQTT 消息分為3 個QoS，當QoS為1時，保證消息至少送達1次。測試結(jié)果表明，吐量的性能效率提高了29%左右，流入消息136 條，平均速率為0.2 條/秒，流出消息97 條，平均速率為0.2 條/秒，消息丟棄39 條，平均速率為0 條/秒。滿足設(shè)備端與阿里云平臺間數(shù)據(jù)傳輸需求。

3）精度測試 將風速儀放在10 m左右高空的室外自然風環(huán)境中測試10次，測量誤差分析如表1所示。從測試結(jié)果中看出，風速在0～3 m·s-1時，測試誤差較大，其原因可能是風速儀的風杯自身重量較大，當風速較小時，轉(zhuǎn)動阻力限制風杯啟動，導致測量的風速值誤差較大，但對于要求誤差精度不高的普通應(yīng)用環(huán)境如農(nóng)業(yè)種植，室外建筑等場景比較適用。在無線通信數(shù)據(jù)傳輸方面，下位機上傳數(shù)據(jù)至阿里云云平臺，云平臺將數(shù)據(jù)發(fā)送到微信小程序端顯示數(shù)據(jù)，在雙向數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)倪^程中存在一定的延遲性，經(jīng)過系統(tǒng)實驗測試同步更新設(shè)備與云平臺之間的數(shù)據(jù)最短時間為3 s，平均數(shù)據(jù)更新時間約為4 s，雖然環(huán)境參數(shù)更新變化有延遲，但是不影響檢測的效果且符合設(shè)計要求。

表1 室外環(huán)境測試風速值

5 總結(jié)

基于阿里云的無線風速環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，融合了嵌入式技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及無線通信技術(shù)，搭建了阿里云物聯(lián)網(wǎng)整套系統(tǒng)架構(gòu)，實現(xiàn)了無線風速環(huán)境遠程實時監(jiān)測，在較大程度上提高了風速環(huán)境檢測的效率，降低了管理時間的投入。結(jié)合MQTT物聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議，使得無線風速檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、實時性高。經(jīng)過試驗測試及結(jié)果分析，整套無線風速系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠程實時性監(jiān)測，達到了設(shè)計預(yù)期的功能。