胡浩鳴 張勝利 趙思 闕卉 袁銘鍵

收稿日期：2023-04-12

基金項目：浙江理工學科技與藝術學院教改項目（Kyjg2118）；2022年國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（202213280008）

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2023.22.033

摘? 要：針對地窖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)復雜度高、互動性低等問題，通過互聯(lián)網(wǎng)技術、傳感器技術和無線通信技術，設計一種基于ESP8266的地窖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32F103單片機為核心，ESP8266Wi-Fi模塊作為輔助，對地窖中的環(huán)境進行監(jiān)測。依托中國移動物聯(lián)網(wǎng)開放平臺（OneNET）進行交互及遠程，實時監(jiān)測地窖內環(huán)境信息。在環(huán)境數(shù)據(jù)超出預設值時，通過電機驅動對換氣扇進行啟停響應動作控制。實驗結果表明，所設計的系統(tǒng)能夠有效監(jiān)測地窖中的環(huán)境數(shù)據(jù)，并且能夠自動控制換氣扇及遠程監(jiān)測數(shù)據(jù)信息，遠程控制換氣扇等，達到功能設計要求。

關鍵詞：環(huán)境監(jiān)測；智能遠程監(jiān)測；無線通信技術；IoT

中圖分類號：TP274? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2096-4706（2023）22-0150-06

Design of Cellar Environmental Monitoring System Based on ESP8266

HU Haoming， ZHANG Shengli， ZHAO Si， QUE Hui， YUAN Mingjian

（Keyi College of Zhejiang Sci-Tech University， Shaoxing? 312369， China）

Abstract： Aiming at the problems of high complexity and low interactivity of cellar environmental monitoring system， designs a cellar environmental monitoring system based on ESP8266 through Internet technology， sensor technology， and wireless communication technology. The system uses the STM32F103 Single-Chip Microcomputer as the core and the ESP8266Wi-Fi module as an auxiliary to monitor the environment in the cellar. Relying on the China Mobile Internet of Things Open Platform （OneNET） for interaction and remote monitoring of environmental information in the cellar in real-time. When the environmental data exceeds the preset value， control the start stop response action of the air exchange fan through motor drive. Experimental results show that the designed system can effectively monitor environmental data in the cellar， and can automatically control the ventilator， remotely monitor data information， and remotely control the ventilator， meeting the functional design requirements.

Keywords： environmental monitoring; intelligent remote monitoring; wireless communication technology; IoT

0? 引? 言

在我國的北方地區(qū)地窖的使用非常普遍，蔬菜水果的自身呼吸作用產生二氧化碳氣體和低溫偏，濕環(huán)境造成蔬菜水果腐爛生成的硫化氫有氣體，導致人們進入地窖時可能會發(fā)生中毒或暈倒事件[1]，同時地窖溫濕度、二氧化碳濃度等環(huán)境對食物保存具有重要影響，傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)主要基于有線通信方式，在實際應用中存在維護困難、布線復雜等缺陷。因此開發(fā)出可靠安全、價格相對低廉、低功耗、便捷的智能地窖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)迫在眉睫。

本文針對存在的隱患進行了相應的設計。該設計會將地窖的環(huán)境監(jiān)測情況實時發(fā)送至服務端，使用人員可以通過服務端實時觀測到地窖內溫度、濕度、二氧化碳和硫化氫等的含量濃度情況以及進行對換氣扇進行控制的操作，同時系統(tǒng)能夠對環(huán)境中所存在的安全隱患采取應急措施，從而大大降低了安全風險。

1? 地窖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)由數(shù)據(jù)監(jiān)測裝置、信息反饋模塊和OneNET云平臺[2]三部分組成，其中數(shù)據(jù)監(jiān)測裝置包括MQ-136硫化氫傳感器、DTH11溫濕度傳感器、SGP30氣體傳感器，微處理器通過采集傳感器數(shù)據(jù)進行濾波處理，通過ESP8266Wi-Fi模塊將數(shù)據(jù)上傳至云服務器?？紤]到有線通信方式鋪設成本較高，不利于在地窖環(huán)境中部署，而無線通信方式成本低且方便維護，本文使用ESP8266進行通信。信息反饋模塊對數(shù)據(jù)進行處理，進行相應的動作響應和反饋。OneNET云平臺負責對客戶端上傳的數(shù)據(jù)進行接收及向服務端發(fā)送監(jiān)測結果等，用戶能夠方便地查看相應的信息，并且實現(xiàn)對換氣扇的遠程控制操作。地窖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的整體設計框架如圖1所示。

2? 系統(tǒng)硬件設計

2.1? 主控芯片

采用意法半導體公司的STM32F103RCT6，它是基于ARM Cortex-M系列的高性能32位微控制器。它包含高性能的RISC內核，運行頻率達72 MHz，具有高達1MB的片上內存，使之能夠支持更大規(guī)模的數(shù)據(jù)存儲和提供更快的運行速率及準確的時鐘。STM32F103RCT6具有多種外設接口，包括同步/異步串口接口、12位模數(shù)轉換器、I2C接口、SPI接口、CAN接口等。具有高性能、實時功能、數(shù)字信號處理、低功耗與低電壓操作特性，同時還保持了集成度高和易于開發(fā)的特點[3]。

2.2? SGP30氣體傳感器

SGP30具有多個傳感元件，是一款金屬氧化物室內氣體傳感器，內集成4個氣體傳感元件，提高了傳感器靈敏度，具有完全校準的空氣質量輸出信號，主要是對空氣質量進行檢測。當目標氣體濃度達到一定濃度時，金屬氧化物顆粒上吸附的氧氣與目標氣體發(fā)生氧化還原反應，從而釋放電子，改變了電導率，通過電路進行檢測、信號處理、轉換等就能間接測量出空氣中CO2和TVOC濃度。SGP30同時采用微電子機械系統(tǒng)（MEMS）技術，使用微電子加工工藝制造的氣體檢測芯片，實現(xiàn)了低功耗、高精度、小尺寸等優(yōu)點。它能夠精確檢測總揮發(fā)有機物（TVOC）及CO2的濃度值，具有穩(wěn)定性高、抗干擾力強等特點。本系統(tǒng)SGP30氣體傳感器電路如圖2所示。

2.3? DHT11溫濕度傳感器

它所使用通信協(xié)議為簡化的單總線協(xié)議，工作電壓在3～5.5 V之間，測量溫度范圍為0～50 ℃，濕度在20%～90%之間。系統(tǒng)中控制、數(shù)據(jù)交換均由一根數(shù)據(jù)線完成，即可傳輸時鐘，又可傳輸數(shù)據(jù)，同時數(shù)據(jù)傳輸為雙向。微處理器與DTH11之間的通信和同步，采用單總線數(shù)據(jù)格式，一次通信時間為4 ms左右。DTH11在沒主機喚醒的時候處于低功耗模式。當MCU把總線拉低18 ms以上低電平的開始信號時，DTH11將會從低功耗模式轉化為高速模式，進行數(shù)據(jù)發(fā)送，等待主機開始信號結束后，從總線讀取DTH11發(fā)送響應信號，送出40 bit的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)信號采集，若未收到開始信號，則進入低速模式，不會主動進行數(shù)據(jù)采集[4]。具有體積小、低成本、可靠性高等特點。

2.4? MQ-136硫化氫氣體傳感器

它是一款金屬氧化物氣體傳感器，其應用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫（SnO2）[5]。

在使用之前需要進行一段預熱時間來提高它的靈敏度。當傳感器處于含有硫化氫氣體的環(huán)境中時，傳感器的電導率將會隨環(huán)境中硫化氫氣體濃度而改變。因此對電路進行適當設計即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的電壓輸出信號。MQ136氣體傳感器具有對硫化氫的靈敏度高的特點，同時對其他含硫有機蒸氣的監(jiān)測也非常理想，是一款能夠多場合應用的低成本傳感器。本系統(tǒng)MQ-136硫化氫氣體電路如圖3所示。

2.5? ESP8266無線通信模塊

ESP8266是一款超低功耗具備高性能的UART-Wi-Fi透傳模塊，能夠使用AT指令控制進行相應的操作，易于開發(fā)和操作，大部分的網(wǎng)絡功能需求都能滿足。同時具有超低能耗技術、小尺寸封裝等優(yōu)點，采用3.3 V電壓供電，支持UART、GPIO等接口，專為可移動式設備及物聯(lián)網(wǎng)技術應用進行設計，支持TCP/IP協(xié)議，能夠將設備接入Wi-Fi，進行與互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)的通信，從而實現(xiàn)物聯(lián)。

2.6? 電源模塊

電源模塊主要由兩部分組成：一部分由直流穩(wěn)壓源提供5 V電源，對主控芯片及各個傳感器進行供電，另一部分由AMS1117低壓降線性穩(wěn)壓器及外圍電路轉化為3.3 V供ESP8266無線通信模塊使用。

2.7? 換氣扇控制模塊

換氣扇控制模塊由電機驅動模塊TB6612FNG驅動直流電機，它具有大電流MOSFET-H橋結構。

3? 系統(tǒng)軟件設計

3.1? 數(shù)據(jù)采集處理軟件設計

地窖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由STM32F103RCT6微處理器進行數(shù)據(jù)的采集，軟件流程圖如圖4所示。

STM32基于Keil軟件環(huán)境開發(fā)平臺，該平臺提供了包括編譯C源碼、連接器、匯編源程序、創(chuàng)建HEX文件、庫管理和仿真調試器等在內的完整開發(fā)工具。通過Keil平臺進行程序的編譯，程序通過驗證無誤后即可進行燒錄至STM32。在軟件程序上，先對相應的器件進行初始化的操作，對所處的環(huán)境數(shù)據(jù)進行采集并進行相應濾波操作，使用中位值濾波算法，去掉數(shù)據(jù)中最大的兩個值和最小的兩個值，再進行求平均值，具體函數(shù)代碼如下：

float data[15];

float Filter（float get_data）{

float sum = 0;

float temp[15];

float value;

int i，j;

for（i=0; i<14; i++）{

data[i]=data[i+1];

}

data[14] = get_data;

for（i=0; i<15; i++）{

temp[i] = data[i];

}

for（i=1; i<15; i++）

for（j=0; j<15-i; j++）{

if（temp[j] > temp[j+1]）{

value = temp[j];

temp[j] = temp[j+1];

temp[j+1] = value;

}

}

for（i=2; i<13; i++）

sum = sum + temp[i];

return（sum/11）;

}

處理后對環(huán)境數(shù)據(jù)與預先設定的閾值進行比較，若超出了設定范圍，則開啟換氣扇。對系統(tǒng)是否連接至服務器進行判斷，若未連接，則進行與服務器的連接配置。連接成功后將對發(fā)送緩沖區(qū)數(shù)據(jù)、命令緩沖區(qū)數(shù)據(jù)、接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)進行處理，將數(shù)據(jù)發(fā)布至云服務器，便于通過平臺觀測數(shù)據(jù)，并對訂閱報文進行相應的指令判斷，做出處理。同時能夠將傳感器數(shù)據(jù)顯示至LCD顯示屏上。

3.2? Wi-Fi連接軟件設計

ESP8266Wi-Fi模塊通過UART串口與STM32進行通信，由STM32發(fā)送AT指令，ESP8266通過UART返回指令執(zhí)行成功的AT響應，建立TCP連接。該方案能夠在斷開Wi-Fi時進行軟件復位并重新建立連接，使得數(shù)據(jù)能夠重新上傳至服務器，其流程圖如圖5所示。

3.3? MQTT通信協(xié)議

3.3.1? MQTT協(xié)議分析

為實現(xiàn)客戶端與云端之間的通信傳輸，本文選擇MQTT協(xié)議接入至云平臺。消息隊列遙測傳輸協(xié)議（Message Queuing Telemetry Transport， MQTT）是由Arcom（現(xiàn)在的Eurotech）和IBM公司推出的一種輕量級基于發(fā)布/訂閱模式的消息傳輸協(xié)議[6]。MQTT協(xié)議適用于計算能力不高的終端設備，在不穩(wěn)定、低帶寬網(wǎng)絡環(huán)境中能夠有效實現(xiàn)信息交互，具有輕量、網(wǎng)絡流量低、功耗小等特點。

3.3.2? MQTT協(xié)議分析

MQTT控制報文由三部分組成，分別為固定報頭、可變報頭、有效載荷。其中固定報頭為數(shù)據(jù)包最先識別的表示位，固定報頭格式如表1所示，其所占位數(shù)為2Byte（字節(jié)）。

在MQTT固定報頭中，剩余長度（Remaining Length）表示當前報文剩余部分所占的字節(jié)數(shù)，主要內容包括可變報頭和負載的數(shù)據(jù)。

MQTT控制報文類型共包含16種，其中2種保留。表2為16種控制報文類型。

可變報頭在固定報頭與負載之間，可變報文隨報文類型而變化，可變報頭的報文標識符能夠保證數(shù)據(jù)的可靠，防止數(shù)據(jù)丟失。有效載荷用于保證報文中客戶端標識符、主題、消息、用戶名、密碼等關鍵數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性及準確性。主要用于CONNECT、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE數(shù)據(jù)報文類型中。

對于MQTT協(xié)議而言，其報文固定長度僅為2個字節(jié)，大大減少了流量開銷，在遇到斷開連接之類的故障，能夠進行恢復，減少了身份驗證的問題，其次，MQTT協(xié)議簡單快捷，其資源利用率低，并且便于用戶進行二次開發(fā)。綜上所述，MQTT協(xié)議更適用于可移動式終端設備，因此本文采用了MQTT協(xié)議作為解決方案。

MQTT協(xié)議是基于TCP連接進行數(shù)據(jù)推送，在通信過程中，MQTT協(xié)議中具有發(fā)布者（publish）、代理（broker）（服務器）、訂閱者（subscribe）三種身份。其中，消息的發(fā)布者和訂閱者均是客戶端，消息代理是服務器，消息發(fā)布者可以同時是訂閱者，MQTT傳輸?shù)南⒎譃橹黝}（topic）和負載（payload）2個部分[7]。在建立TCP連接后，客戶端將會向OneNET云平臺發(fā)送請求連接命令，確認MQTT連接請求。在連接建立完成后，客戶端向服務端發(fā)送SUBSCRUBE報文進行主題訂閱，服務端接收到訂閱主題命令后進行處理SUBSCRIBE報文，并返回主題訂閱成功的命令。

最后，客戶端會每個一個心跳間隔時間發(fā)送PINGREQ心跳請求消息請求服務端發(fā)送響應，并且服務端將會發(fā)送PINGRESP報文響應客戶端的PINGREQ報文。其目的是為了在沒有任何其他控制報文從客戶端發(fā)送給服務端時，告知服務端與客戶端的連接沒有斷開，如果服務器在一個半心跳間隔時間周期內沒有收到來自客戶端的消息，就會斷開與客戶端的連接。有效地保證了數(shù)據(jù)傳輸過程中的準確性和有效性。因此，根據(jù)實際情況，通過對MQTT客戶端心跳間隔時間的設定，每隔一段時間進行數(shù)據(jù)發(fā)送至服務端，能夠使系統(tǒng)更加低功耗。

3.3.3? 終端設計

環(huán)境數(shù)據(jù)反饋中心基于中國移動物聯(lián)網(wǎng)開放平臺OneNET[8，9]，該平臺是在物聯(lián)網(wǎng)應用和真實設備之間搭建高效、穩(wěn)定、安全的應用平臺，同時OenNET平臺針對不同使用場景，提供了關于設備的包括生命周期管理、在線狀態(tài)監(jiān)測、在線調試、數(shù)據(jù)管理等功能在內的豐富設備管理功能[10-13]，利用該平臺，能夠查看環(huán)境實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)查詢、指令下發(fā)等功能。用戶在OneNET云平臺完成賬戶注冊后即可進行產品的注冊和綁定。

4? MQ-136硫化氫傳感器特性分析

在數(shù)據(jù)采集上，根據(jù)傳感器特性描述，對MQ-136硫化氫氣體傳感器模塊進行了分析處理，保證了其結果接近于真實值。根據(jù)傳感器特性描述得出RS /R0與PPM的對應關系：

PPM = [1， 2， 3， 4， 5， 6， 7， 8， 9， 10， 20， 30， 40， 50， 60， 70， 80， 90， 100， 110];

RS / R0 = [0.59， 0.498， 0.45， 0.405， 0.393， 0.365， 0.355， 0.345， 0.335， 0.31， 0.265， 0.245， 0.225， 0.205， 0.2， 0.19， 0.182， 0.174， 0.166， 0.154];

利用Matlab進行仿真得到散點圖，通過技術文檔的描述進行相應計算并進行推導，通過非線性擬合確定了函數(shù)模型，從而得到了擬合函數(shù)的具體形式。函數(shù)模型確立過程代碼如下：

func = inline（'beta（1）*x.^beta（2）'，'beta'，'x'）;%確定函數(shù)模型

beta0 = [0.5，0.5]';%待定系數(shù)的預估值

beta = nlinfit（x，y，func，beta0）;

通過計算得出beta（1）=0.975 4，beta（2）=-0.271 0；即：

（1）

其中，C表示濃度。

根據(jù)MQ-136電路圖我們可以得到：

（2）

其中，VRL表示AO口輸出電壓；VC表示回路電壓；VRL = 33 Ω；R0表示傳感器在潔凈空氣中RS的電阻值。

為保證準確性，在傳感器充分預熱下通過多次測量取平均值得到VRL = 0.284 047 V。求得R0 = 547.889 Ω。

根據(jù)式（1）及式（2），推導可得：

（3）

即：

（4）

得到輸出電壓與硫化氫濃度值之間的表達式。

5? 系統(tǒng)測試結果分析

為測試系統(tǒng)可靠性，進行了ESP8266的網(wǎng)絡測試，各部分硬件正常工作，系統(tǒng)進入穩(wěn)定，在接入Wi-Fi的情況下，多次關閉路由器設備，系統(tǒng)均能重新連接Wi-Fi并接入云服務器，進行數(shù)據(jù)的上傳等操作。

將硬件設備放置密閉空間內，同時在內部放置一些蔬菜水果，進行相應的數(shù)據(jù)監(jiān)測，通過訪問OneNET云平臺，可以觀察到每隔10 s接收到一條各類傳感器信息，其數(shù)據(jù)可視化如圖6、圖7所示，數(shù)據(jù)顯示，在一定范圍內波動，但都處于誤差范圍之內，在云平臺進行指令下發(fā)，客戶端能夠在短時間內打開換氣扇。對密閉空間模擬二氧化碳、濕度等超出設定范圍時，系統(tǒng)能夠自動開啟換氣扇。

通過測試表明，系統(tǒng)各項功能達到實用、有效的要求，滿足了對地窖環(huán)境監(jiān)測的管理需求。

6? 結? 論

本文介紹了一種基于ESP8266的地窖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。結合傳感器技術、無線通信技術和互聯(lián)網(wǎng)技術，實現(xiàn)了對地窖內溫濕度、硫化氫氣體濃度、二氧化碳濃度等的監(jiān)測工作，并且在數(shù)值超出預設值后能夠做到快速響應，通過云平臺實現(xiàn)對換氣扇的遠程控制，能夠及時發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，減少氣體中毒的情況發(fā)生，具有良好的實用性及市場價值。對于換氣扇的控制，系統(tǒng)能夠根據(jù)環(huán)境中濃度不同進行不同的轉速調節(jié)，使之更加高效通風。本文充分利用了無線傳感器網(wǎng)絡對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時傳輸?shù)葍?yōu)點，使網(wǎng)絡能夠自動地實時數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析和管理等功能。

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作者簡介：胡浩鳴（2002.03—），男，漢族，浙江寧波人，本科在讀，研究方向：通信工程。