摘? 要：航管二次雷達測試應答機機房往往為無人值守機房。為了滿足對航管二次雷達測試應答機機房環(huán)境的監(jiān)測需要，文章以NodeMCU開發(fā)板和OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺為核心，設計一種設備機房環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對航管二次雷達測試應答機機房市電狀態(tài)和溫濕度數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測和遠程顯示，達到提前發(fā)現(xiàn)測試應答機機房環(huán)境異常的目的，提高了對航管二次雷達的綜合保障能力。

關鍵詞：NodeMCU；OneNET；設備機房；機房環(huán)境；監(jiān)測系統(tǒng)

中圖分類號：TP311.5；TP274 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2023）20-0080-04

Design of Equipment Room Environmental Monitoring System Based on

NodeMCU and OneNET

PU Chenglei

（Zhuhai Air Traffic Management Station of Civil Aviation， Zhuhai? 519060， China）

Abstract： The air traffic management secondary radar testing response machine room is often an unattended machine room. In order to meet the monitoring needs of the environment of the air traffic management secondary radar testing response machine room， the paper designs a equipment room environment monitoring system based on the NodeMCU development board and the OneNET Internet of Things platform. It realizes real-time monitoring and remote display of the electricity status and temperature and humidity data of the air traffic management secondary radar testing response machine room， achieving the goal of early detection of abnormal environment in the testing response machine room， improving comprehensive support capability for air traffic management secondary radar.

Keywords： NodeMCU; OneNET; equipment room; room environment; monitoring system

0? 引? 言

航管二次雷達利用機載應答機應答地面詢問機發(fā)射的電磁波對目標（飛機）進行探測定位。隨著航空飛行數(shù)量的迅速增加，航管二次雷達在空中交通管制系統(tǒng)中發(fā)揮著不可替代的重要作用。作為航管二次雷達系統(tǒng)的重要組成部分，測試應答機安裝于雷達站附近，模擬機載應答機為航管二次雷達提供應答信號，用于航管二次雷達探測性能的測試和校準。航管二次雷達測試應答機機房往往為無人值守機房，根據(jù)民航上級規(guī)章要求，需要實時監(jiān)視機房環(huán)境狀況。通常情況下，航管二次雷達測試應答機機房并沒有配置相應的通信鏈路和傳輸設備，難以通過傳統(tǒng)方法實現(xiàn)機房環(huán)境的遠程監(jiān)視。

本文提出了一種基于NodeMCU開發(fā)板和OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺的設備機房環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，采用無線通信技術實現(xiàn)了對航管二次雷達測試應答機機房環(huán)境狀況的實時監(jiān)測和遠程顯示，可進行推廣應用。

1? NodeMCU和OneNET簡介

1.1? NodeMCU簡介

NodeMCU是一款價格便宜、開發(fā)簡單、性能穩(wěn)定的開源硬件開發(fā)板，適合初學者開發(fā)和學習使用。由于支持Wi-Fi功能，所以NodeMCU在物聯(lián)網(wǎng)領域被廣泛應用。NodeMCU開發(fā)板以樂鑫科技研發(fā)的ESP8266芯片為核心，主要包括控制芯片（ESP8266）、USB接口、I/O端子和供電系統(tǒng)4個模塊，可以使用多種程序開發(fā)環(huán)境進行開發(fā)。使用USB線連接NodeMCU開發(fā)板與計算機時，NodeMCU開發(fā)板會在計算機上虛擬出一個串口設備，此時兩者之間便建立了串口連接，可互傳數(shù)據(jù)。同時，計算機則通過此連接向NodeMCU開發(fā)板提供5 V電源。NodeMCU開發(fā)板的工作模式可以設置為接入點模式、無線終端模式和混合模式。本設計使用NodeMCU開發(fā)板的無線終端模式。

1.2? OneNET簡介

OneNET是中國移動打造的高效、穩(wěn)定、安全的物聯(lián)網(wǎng)開放平臺。OneNET支持適配各種網(wǎng)絡環(huán)境和協(xié)議類型，可實現(xiàn)各種傳感器和智能硬件的快速接入，提供豐富的API和應用模板以支撐各類行業(yè)應用和智能硬件的開發(fā)，有效降低物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)和部署成本，滿足物聯(lián)網(wǎng)領域設備連接、協(xié)議適配、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)安全以及大數(shù)據(jù)分析等平臺級服務需求。此外，OneNET還提供遠程升級OTA、位置定位LBS、消息隊列MQ、數(shù)據(jù)可視化View、人工智能AI等增值服務。本設計主要使用OneNET的設備接入和數(shù)據(jù)可視化功能。

2? 系統(tǒng)總體設計

本設計以NodeMCU開發(fā)板和OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺為核心，總體設計框圖如圖1所示。市電分兩路分別接入1 kVA UPS和變壓電路。UPS為不間斷電源，其輸入和輸出均為220 V交流電。出于成本和可靠性考慮，選用智能手機充電器作為變壓器，將UPS輸出的220 V交流電轉(zhuǎn)變?yōu)? V直流電，并用USB線為NodeMCU開發(fā)板提供電源。當市電中斷時，UPS中的后備電池便對外提供電能，繼續(xù)通過變壓器為NodeMCU開發(fā)板供電。變壓電路首先將220 V交流電轉(zhuǎn)變?yōu)?.3 V直流電，然后將3.3 V直流電接入NodeMCU開發(fā)板的數(shù)字I/O端子進行檢測。當檢測結(jié)果為高電平時，說明市電正常；當檢測結(jié)果為低電平時，說明市電中斷。數(shù)字溫濕度傳感器采用單總線結(jié)構(gòu)，將數(shù)字溫濕度信號通過單個數(shù)據(jù)引腳接入NodeMCU開發(fā)板的數(shù)字I/O端子進行讀取。NodeMCU開發(fā)板在連接無線Wi-Fi的情況下，用HTTP協(xié)議將市電檢測結(jié)果和溫濕度數(shù)據(jù)周期性上傳給OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺進行數(shù)據(jù)解析和數(shù)據(jù)可視化處理。在數(shù)據(jù)可視化項目發(fā)布后，用連接互聯(lián)網(wǎng)的終端設備通過網(wǎng)頁瀏覽器便能實時查看設備機房市電檢測結(jié)果和溫濕度數(shù)據(jù)。

3? 系統(tǒng)硬件設計

3.1? 變壓電路設計

由于NodeMCU開發(fā)板無法直接檢測220 V交流電且數(shù)字I/O端子的最高輸入電壓為3.3 V，因此需要變壓電路將220 V交流電轉(zhuǎn)變?yōu)?.3 V直流電后再進行檢測。變壓電路由變壓器和分壓電路組成，電路原理圖如圖2所示。變壓器仍然選用智能手機充電器，將220 V交流電轉(zhuǎn)變?yōu)? V直流電。分壓電路由三個4.7 kΩ的電阻R1、R2和R3串聯(lián)組成。根據(jù)串聯(lián)分壓公式可知，電阻R1和R2之間信號引接點的對地電壓為3.3 V。值得注意的是，變壓器USB直流輸出口的正極為5 V，負極為GND，需要將負極接至NodeMCU開發(fā)板的GND，使它們共GND。

3.2? 溫濕度傳感器選擇

本設計選擇DHT22數(shù)字溫濕度傳感器用于設備機房溫濕度數(shù)據(jù)的采集。DHT22是一款溫濕度復合傳感器，可以同時對周邊環(huán)境的溫度和濕度進行采集，并將溫濕度數(shù)據(jù)經(jīng)過校準后進行數(shù)字式輸出。該傳感器應用專用的數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，工作穩(wěn)定可靠，具有品質(zhì)卓越、超快響應、抗干擾能力強和性價比高等優(yōu)點。DHT22溫濕度傳感器的工作電壓為3.3 V至6 Vdc，溫度測量范圍為-40 ℃至80 ℃，濕度測量范圍為0至100%，滿足設備機房溫濕度的測量需求。DHT22溫濕度傳感器與NodeMCU開發(fā)板的連接如圖3所示。其中，DHT22溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)引腳out、VCC引腳+和GND引腳-分別連接NodeMCU開發(fā)板的數(shù)字I/O端子、3V3端子和GND端子。

4? 系統(tǒng)軟件設計

4.1? NodeMCU開發(fā)板程序設計

4.1.1? 主程序設計

本設計選用類似C/C++語言的程序開發(fā)環(huán)境Arduino IDE對NodeMCU開發(fā)板進行開發(fā)。需要注意的是，在使用Arduino IDE進行開發(fā)前，必須下載ESP8266安裝包并進行安裝。經(jīng)過多次實踐，發(fā)現(xiàn)直接在Arduino IDE下載并安裝ESP8266安裝包速度非常慢，而且很容易失敗，因此推薦在點燈科技官網(wǎng)離線下載ESP8266安裝包后再進行安裝。

將在Arduino IDE中編寫的程序代碼上傳至NodeMCU開發(fā)板后，NodeMCU開發(fā)板便能在程序的控制下設置無線終端模式、連接無線Wi-Fi、檢測設備機房市電狀態(tài)和讀取設備機房溫濕度數(shù)據(jù)，并將設備機房環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)用HTTP協(xié)議通過互聯(lián)網(wǎng)周期性上傳給OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺進行處理。NodeMCU開發(fā)板主程序流程圖如圖4所示。其中，NodeMCU開發(fā)板獲取和上傳數(shù)據(jù)的周期為5秒。

4.1.2? HTTP請求程序設計

NodeMCU開發(fā)板程序設計的重點和難點在于HTTP請求程序設計，以實現(xiàn)通過HTTP協(xié)議將設備機房環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)準確無誤地上傳給OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺服務器。HTTP請求程序流程圖如圖5所示。首先將需要上傳的設備機房環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為JSON數(shù)據(jù)格式；然后創(chuàng)建WiFiClient和HTTPClient對象，并依次調(diào)用HTTPClient對象的begin函數(shù)配置HTTP請求地址URL、addHeader函數(shù)在HTTP請求頭中添加APIkey和POST函數(shù)啟動與OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺服務器的HTTP連接并發(fā)送HTTP請求，實現(xiàn)設備機房環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)的準確上傳；最后，調(diào)用HTTPClient對象的end函數(shù)斷開與OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺服務器的HTTP連接。其中，JSON數(shù)據(jù)格式中數(shù)據(jù)流的名稱要與下文中創(chuàng)建的3個數(shù)據(jù)流的名稱分別相同，HTTP請求地址URL為下文中記錄的API地址+/datapoints，APIkey為下文中記錄的Master-APIkey。

4.2? OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺數(shù)據(jù)可視化設計

4.2.1? 創(chuàng)建數(shù)據(jù)流

在進行OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺數(shù)據(jù)可視化設計前，需要創(chuàng)建數(shù)據(jù)流來接收NodeMCU開發(fā)板上傳的設備機房環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)。首先在OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺注冊一個賬號并登錄，進入開發(fā)者中心，在全部產(chǎn)品服務中選擇多協(xié)議接入后繼續(xù)選擇HTTP協(xié)議并添加產(chǎn)品，填寫產(chǎn)品信息和技術參數(shù)后進入剛添加的產(chǎn)品查看并記錄Master-APIkey；然后進入設備列表添加設備，在剛添加的設備詳情中查看并記錄API地址；最后進入數(shù)據(jù)流模板，依次創(chuàng)建3個數(shù)據(jù)流，分別用于接收NodeMCU開發(fā)板上傳的設備機房市電狀態(tài)和溫濕度數(shù)據(jù)。

4.2.2? 數(shù)據(jù)可視化設計

成功創(chuàng)建數(shù)據(jù)流后就可以進行數(shù)據(jù)可視化設計了。首先在全部產(chǎn)品服務中選擇數(shù)據(jù)可視化View，新建項目后選擇空白模板便成功創(chuàng)建了一個可視化的項目；然后點擊項目的編輯按鈕進入項目編輯頁面，在常規(guī)圖表中選擇各種可視化的控件添加到項目編輯頁面，并將各個可視化控件的數(shù)據(jù)綁定方式選擇為數(shù)據(jù)源；最后新建3個與相應數(shù)據(jù)流綁定的數(shù)據(jù)源，再將各個可視化控件的數(shù)據(jù)綁定相應數(shù)據(jù)源，并使用數(shù)據(jù)過濾器過濾各個可視化控件的數(shù)據(jù)后便能進行數(shù)據(jù)可視化展示了。本設計的數(shù)據(jù)可視化界面如圖6所示。其中，各個可視化控件的數(shù)據(jù)刷新間隔默認設置為5秒。

5? 測試分析

根據(jù)系統(tǒng)總體設計完成系統(tǒng)軟硬件的安裝和調(diào)試后，便開始進行系統(tǒng)功能測試。用USB線將NodeMCU開發(fā)板與計算機連接后，用Arduino IDE在NodeMCU開發(fā)板程序中添加通過串口輸出Wi-Fi連接、HTTP請求和服務器響應結(jié)果的語句后，便能在Arduino IDE的串口監(jiān)視器中查看相關測試結(jié)果。圖7的串口監(jiān)視器測試結(jié)果顯示NodeMCU開發(fā)板已成功連接Wi-Fi，且HTTP請求和服務器響應結(jié)果均正常。

隨后，在OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺上將數(shù)據(jù)可視化項目進行發(fā)布后便得到該項目的訪問鏈接，在已連接互聯(lián)網(wǎng)的計算機上用網(wǎng)頁瀏覽器訪問該鏈接，就能實時查看如圖6所示的數(shù)據(jù)可視化界面。經(jīng)過測試，該數(shù)據(jù)可視化界面數(shù)據(jù)顯示正常，數(shù)據(jù)刷新間隔為5秒。

最后對系統(tǒng)的溫濕度測量精度進行測試。用溫濕度計和該系統(tǒng)同時測量相同點的溫濕度數(shù)據(jù)如表1所示。其中，溫度測量精度在1 ℃以內(nèi)，濕度測量精度在2%以內(nèi)。通過以上測試分析，該系統(tǒng)的溫濕度測量準確度滿足實際使用需要。

6? 結(jié)? 論

本文提出了一種基于NodeMCU開發(fā)板和OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺的設備機房環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、安全可靠，NodeMCU開發(fā)板程序流程清晰、邏輯嚴謹，OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺數(shù)據(jù)可視化界面簡潔明了、易于訪問。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對沒有配置相應通信鏈路和傳輸設備的航管二次雷達測試應答機機房市電狀態(tài)和溫濕度數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測和遠程顯示，解決了設備運行中的難題，提高了設備保障水平。通過實際測試，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，性能良好，其中溫度測量精度在1 ℃以內(nèi)，濕度測量精度在2%以內(nèi)，符合實際使用需要。

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作者簡介：蒲成雷（1986—），男，漢族，四川蓬安人，工程師，本科，研究方向：空管雷達、地空通信、單片機。

收稿日期：2023-05-18