摘 要：基于阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺的遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)以ESP8266模塊為控制核心，連接溫濕度、煙霧、光照等傳感器，利用Arduino對ESP8266進行編程開發(fā)，通過ESP8266中集成的Wi-Fi模塊與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺通信，基于MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送至平臺，同時，利用Android開發(fā)移動端App，在阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺中利用云產(chǎn)品流轉(zhuǎn)功能將數(shù)據(jù)發(fā)送至移動端App，實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的運程監(jiān)測功能。系統(tǒng)與其他監(jiān)測系統(tǒng)相比，具有部署簡單靈活、價格便宜、穩(wěn)定性高等特點，能廣泛應用于各類物聯(lián)網(wǎng)場景，如家庭、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)和工廠等場所的環(huán)境監(jiān)測。

關(guān)鍵詞： ESP8266；阿里云平臺；Arduino；Android；遠程監(jiān)測

中圖分類號：TP274 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）23-0114-06

Abstract： The remote environmental monitoring system based on the Alibaba Cloud IoT platform uses the ESP8266 module as the control core and connects sensors such as temperature， humidity， smoke， and light. Arduino is used to program and develop the ESP8266， which communicates with the Alibaba Cloud IoT platform through the integrated Wi-Fi module in ESP8266. The data is sent to the platform based on the MQTT protocol. Simultaneously， an Android app is developed to receive the data from the platform using cloud product flow function in the Alibaba Cloud IoT platform， realizing the real-time monitoring of environmental data. Compared with other monitoring systems， this system has the advantages of simple and flexible deployment， low cost， and high stability， making it widely applicable in various IoT scenarios such as homes， healthcare， agriculture， factories， etc.

Keywords： ESP8266; Alibaba Cloud platform; Arduino; Android; remote monitoring

隨著人們對生活環(huán)境的要求越來越高，環(huán)境質(zhì)量逐漸成為關(guān)注的焦點，環(huán)境質(zhì)量可以通過環(huán)境監(jiān)測獲取環(huán)境數(shù)據(jù)進而評估。環(huán)境監(jiān)測指通過傳感器設備采集環(huán)境數(shù)據(jù)對環(huán)境質(zhì)量進行監(jiān)測和評估的過程。環(huán)境監(jiān)測在家庭、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和工廠等物聯(lián)網(wǎng)場景中的應用日益廣泛。傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測方法主要依靠人工采樣，采樣率低，數(shù)據(jù)時效性低，成本高。筆者旨在研究和設計一種基于阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺的遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)（以下簡稱遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)），主要包括傳感器節(jié)點、ESP8266模塊、阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺和移動端APP等，以實現(xiàn)實時采集、遠程監(jiān)測、可視化展示環(huán)境數(shù)據(jù)，提高環(huán)境監(jiān)測的精度和效率。遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)實時監(jiān)測和分析環(huán)境溫濕度、煙霧、光照等環(huán)境參數(shù)，提供科學、準確、及時的環(huán)境信息服務。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由硬件設備、軟件系統(tǒng)、阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺組成，整體框架如圖1所示。

硬件設備主要有ESP8266模塊、溫濕度傳感器、煙霧傳感器、光照傳感器和無線網(wǎng)絡設備等。

軟件系統(tǒng)主要包括2部分：①利用Arduino軟件對ESP8266進行編程開發(fā)，實現(xiàn)對傳感器采集數(shù)據(jù)的處理，通過ESP8266自帶的Wi-Fi芯片、基于MQTT協(xié)議和阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺傳輸數(shù)據(jù)，實時發(fā)送采集的數(shù)據(jù)至云平臺。②利用Android Studio軟件進行移動端APP的開發(fā)，同樣是基于MQTT協(xié)議實現(xiàn)阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺和移動端APP的數(shù)據(jù)傳輸，從而實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的遠程實時監(jiān)測。

阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺主要實現(xiàn)設備的創(chuàng)建和接入、傳感器數(shù)據(jù)的采集和存儲。通過云產(chǎn)品流轉(zhuǎn)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)功能。

1.2 監(jiān)測過程

如圖1所示，利用連接在ESP8266模塊的各類傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)，ESP8266模塊處理數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換成JSON格式發(fā)送至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺的設備1中，設備1通過云產(chǎn)品流轉(zhuǎn)功能轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)至云平臺中設備2中，移動端APP連接平臺后解析并獲取設備2中的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的遠程、實時監(jiān)測。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 ESP8266模塊

ESP8266是一種低成本、擁有完整Wi-Fi網(wǎng)絡功能的單片機模塊，由樂鑫信息科技（上海）股份有限公司開發(fā)[1]，所需供電電壓為3.3～5 V。ESP8266芯片集成在NodeMCU型開發(fā)板中，內(nèi)置32位處理器，主頻支持80 MHz和160 MHz，支持802.11 b/g/n協(xié)議，并集成CP2101芯片，提供可靠的USB轉(zhuǎn)UART功能，便于與計算機進行數(shù)據(jù)傳輸和編程。NodeMCU開發(fā)板提供多個GPIO引腳及擴展引腳，可連接外部傳感器、執(zhí)行器或其他設備，且支持Arduino開發(fā)環(huán)境，可用Arduino代碼和函數(shù)庫進行編程開發(fā)。

2.2 溫濕度、煙霧、光照傳感器

AM2301（DHT21）數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器，應用數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品可靠性高，長期穩(wěn)定，主要有1個電容式感濕元件、1個NTC測溫元件，并與1個高性能8位單片機相連接，3引線輸出[2]。MQ-2型煙霧傳感器以二氧化錫（SnO2）為氣敏材料，有VCC、GND、TTL高低電平輸出端、模擬電壓輸出端4個引腳，可用于探測液化氣、丁烷、丙烷、甲烷和氫氣等可燃氣體[3]。BH1750FVI型數(shù)字光照傳感器測量范圍廣，精度高，具備I2C接口，能連接NodeMCU并輸出數(shù)字信號。

2.3 系統(tǒng)硬件的連接

如圖2所示，ESP8266的引腳與NodeMCU開發(fā)板上的兩排插針相連，具有17個用于通用輸入輸出的GPIO引腳、1個用于模擬輸入的ADC引腳、能為外部傳感器提供3.3 V電源的3V3引腳、2個預留引腳等。

溫濕度傳感器、光照傳感器為數(shù)字傳感器，能以數(shù)字信號方式輸出監(jiān)測的環(huán)境數(shù)據(jù)。煙霧傳感器為模擬傳感器，輸出模擬信號。由ESP8266引腳類型、傳感器產(chǎn)品接線說明可知：溫濕度傳感器、光照傳感器的信號輸出端接ESP8266的GPIO引腳，煙霧傳感器模擬輸出端接ESP8266的ADC引腳；傳感器的電源線均接ESP8266的3V3和GND引腳。連接用輔助材料及工具包括杜邦線、接線端子、Micro-USB數(shù)據(jù)線和剝線鉗等。以溫濕度傳感器連接為例，分別將電源線、信號線通過接線端子接入ESP8266對應的引腳，用Micro-USB數(shù)據(jù)線連接NodeMCU開發(fā)板為ESP8266供電，連接完成的實物圖如圖3所示。

3 云平臺中設備及云產(chǎn)品流轉(zhuǎn)創(chuàng)建

3.1 設備創(chuàng)建

使用物聯(lián)網(wǎng)平臺接入設備前需在物聯(lián)網(wǎng)平臺控制臺創(chuàng)建產(chǎn)品。產(chǎn)品是設備的集合，通常指一組具有相同功能的設備。創(chuàng)建產(chǎn)品完成后，需在產(chǎn)品下添加設備，獲取設備證書[4]。產(chǎn)品創(chuàng)建操作步驟：①登錄阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，進入已開通的公共實例。②點擊左側(cè)導航欄設備管理下的產(chǎn)品，在產(chǎn)品頁面點擊創(chuàng)建產(chǎn)品。③在新建產(chǎn)品頁面中輸入產(chǎn)品名稱、設置所屬品類、節(jié)點類型、連網(wǎng)方式、數(shù)據(jù)格式及校驗級別、認證方式等信息，點擊確認按鈕。

遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)需要在產(chǎn)品下添加2臺設備，分別用于表示ESP8266端設備和移動端設備。設備創(chuàng)建步驟：①點擊左側(cè)導航欄設備管理下的設備，在設備頁面點擊添加設備。②在添加設備頁面選擇所屬產(chǎn)品、輸入設備名稱（DeviceName）、備注名稱。設備創(chuàng)建完成，未接入平臺前處于未激活狀態(tài)，如圖4所示。點擊查看進入設備能查詢其三元組信息，即ProductKey、DeviceName和DeviceSecret。

3.2 云產(chǎn)品流轉(zhuǎn)創(chuàng)建

設備創(chuàng)建完成，使用阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺云產(chǎn)品流轉(zhuǎn)功能，以使設備間可進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。通過云產(chǎn)品流轉(zhuǎn)，用戶可定義設備數(shù)據(jù)的接收、處理、發(fā)送規(guī)則，實現(xiàn)設備數(shù)據(jù)的實時傳輸、存儲和分析等。創(chuàng)建云產(chǎn)品流轉(zhuǎn)步驟：①創(chuàng)建數(shù)據(jù)源。點擊左側(cè)導航欄消息轉(zhuǎn)發(fā)下的云產(chǎn)品流轉(zhuǎn)，在數(shù)據(jù)源選項卡中點擊創(chuàng)建數(shù)據(jù)源，進入對話框輸入數(shù)據(jù)源名稱。②創(chuàng)建數(shù)據(jù)目的。在數(shù)據(jù)目的選項卡中點擊創(chuàng)建數(shù)據(jù)目的，進入對話框輸入數(shù)據(jù)目名稱、選擇發(fā)布到另一個Topic、該Topic所屬產(chǎn)品。③創(chuàng)建解析器。在解析器選項卡中點擊創(chuàng)建解析器，機內(nèi)對話框輸入解析器名稱。④關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)源。解析器創(chuàng)建完成后，點擊右側(cè)查看進行關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)目的，解析器的腳本設置。注意1個解析器只能關(guān)聯(lián)1個數(shù)據(jù)源，但可關(guān)聯(lián)最多10個數(shù)據(jù)目的。在編輯腳本的“writeIotTopic”中，需正確填寫數(shù)據(jù)目的的ID、流轉(zhuǎn)設備的Topic。啟動創(chuàng)建的解析器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)功能，如圖5所示。

4 系統(tǒng)軟件設計

4.1 ESP8266模塊的開發(fā)

遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)利用Arduino IDE 2.21對ESP8266進行編程開發(fā)。程序經(jīng)編譯調(diào)試無誤后通過Micro-USB數(shù)據(jù)線燒錄至ESP8266，實現(xiàn)ESP8266的自動聯(lián)網(wǎng)、MQTT連接、發(fā)送數(shù)據(jù)等功能。進行開發(fā)前必須在Arduino開發(fā)板管理器和庫管理器中下載并安裝ESP8266安裝包、對應的傳感器庫、ArduinoJson庫、PubSubClient庫[5]。實現(xiàn)ESP8266自動聯(lián)網(wǎng)功能可通過ESP8266WiFi.h庫文件中提供的WiFi.mode（WIFI_STA）、WiFi.begin（ssid， password）函數(shù)實現(xiàn)；ESP8266接入物聯(lián)網(wǎng)平臺，通過定義設備三元組信息，包括PRODUCT_KEY、DEVICE_NAME、DEVICE_SECRET，設置線上環(huán)境域名和端口號，利用client.connect（）建立MQTT（云平臺）的連接。部分關(guān)鍵代碼如下：

……………………….

#define PRODUCT_KEY "xxxxxx"

#define DEVICE_NAME "xxxxxx"

#define DEVICE_SECRET "xxxxxx" //設備三元組信息

……………………….

#define MQTT_PASSWD "xxxxxx" //第三方工具生成密碼

const int keepalive = 60； //定義時間間隔

……………………….

client.setServer（MQTT_SERVER， MQTT_PORT）； //設置MQTT服務器

client.connect（CLIENT_ID， MQTT_USRNAME， MQTT_PASSWD）； //MQTT連接

client.setKeepAlive（keepalive）； //發(fā)送?；钚奶?/p>

……………………….

實現(xiàn)發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)功能主要步驟：①創(chuàng)建傳感器對象并設置引腳。②設置ALINK_BODY_FORMAT消息體的JSON 格式。③設置MQTT消息發(fā)布的Topic。④編寫數(shù)據(jù)發(fā)送代碼。以溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)送為例，部分關(guān)鍵代碼如下：

……………………….

DHTNEW mySensor（5）； //創(chuàng)建溫濕度傳感器對象，并設置引腳為5（D1口）

#define ALINK_BODY_FORMAT "{＼"id＼"：＼"ES P8266＼"，＼"version＼"：＼"1.0＼"，＼"params-

＼"：%s，＼"method＼"：＼"thing.event.property.post＼"}" //定義JSON 格式的字符串

#define PROP_POST "/sys/" PRODUCT_KEY "/" DEVICE_NAME "/thing/event/property/post"

float wd，sd;   //定義溫濕度變量

……………………….

mySensor.read（）； //傳感器讀取數(shù)據(jù)

wd=mySensor.getTemperature（）； //獲取溫度數(shù)據(jù)

sd=mySensor.getHumidity（）； //獲取濕度數(shù)據(jù)

……………………….

sprintf（param， "{＼"temp＼"：%s，＼"hum＼"：%s}"，String（wd），String（sd））;

sprintf（jsonBuf， ALINK_BODY_FORMAT， param）;

client.publish（PROP_POST， jsonBuf）； //發(fā)送數(shù)據(jù)

……………………….

4.2 移動端APP的開發(fā)

遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)在移動端APP的開發(fā)中使用軟件Android Studio。移動端APP界面設計采用LinearLayout線性布局方式，在水平或垂直方向排列子視圖。界面包含溫度、濕度、煙霧和光照等數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，此外，還有為后續(xù)設計預留的燈光開關(guān)、風扇開關(guān)、報警開關(guān)，如圖6所示。

在功能方面，實現(xiàn)移動端與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺通信并獲取傳感器數(shù)據(jù)需要在Android中使用Paho Android Service庫。Paho Android service是用Java編寫的MQTT客戶端庫[6]。移動端APP功能實現(xiàn)主要步驟。

1）添加Paho Android Service庫及依賴項。在settings.gradle的dependencyResolutionManagement下添加Paho倉庫地址：https：//repo.eclipse.org/content/repositories/paho-releases/。在build.gradle文件中，添加Paho Android Service的2個依賴項，即paho.client.mqttv3-1.1.0和paho.android.service：1.1.1。

2）在AndroidMainfest.xml頁面中聲明服務及添加權(quán)限。聲明服務為<service android：name="org.eclipse.paho.android.service.MqttService"/>。在AndroidMainfest.xml添加Paho MQTT Service所需的4項權(quán)限：WAKE_LOCK、INTERNET、ACCESS_NETWORK_STATE、ACCESS_WI FI_STATE，設置usesCleartextTraffic="true"，以便允許應用程序使用非加密的HTTP協(xié)議（明文）進行網(wǎng)絡通信。要注意的是，應用build.gradle文件中的targetSdkVersion需要小于或等于30，若不符合要求，必須修正[7]。

3）移動端接入物聯(lián)網(wǎng)平臺。下載阿里云官網(wǎng)提供的計算MQTT連接參數(shù)所需的源碼文件AiotMqttOption.java，導入Android項目，定義設備（移動端）三元組信息、獲取MQTT連接信息的3個參數(shù)即clientId、username、password，將username和password設置到MqttConnectOptions對象中。創(chuàng)建1個MqttAndroidClient對象，設置回調(diào)接口、調(diào)用connect方法，從而建立連接。部分關(guān)鍵代碼如下：

……………………….

/* 阿里云MQTT服務器域名 */

final String host = "tcp：//" + PRODUCTKEY + ".iot-as-mqtt." + REGION_ID + ".aliyuncs.com：1883"；

MqttAndroidClient mqttAndroidClient；

……………………….

/* 獲取MQTT連接信息clientId、username、password。*/

clientId = aiotMqttOption.getClientId（）；

userName = aiotMqttOption.getUsername（）；

passWord = aiotMqttOption.getPassword（）；

……………………….

/* 創(chuàng)建MqttAndroidClient對象，設置回調(diào)接口，建立MQTT連接。*/

mqttAndroidClient = new MqttAndroidClient（getApplicationContext（）， host， clientId）;

mqttAndroidClient.setCallback（new MqttCallback（） { @Override......}）；

……………………….

4）獲取物聯(lián)網(wǎng)平臺傳感器數(shù)據(jù)。通過subscribe方法訂閱云端的Topic，獲取物聯(lián)網(wǎng)平臺下發(fā)的數(shù)據(jù)，對接收的數(shù)據(jù)進行JSON解析并提取。以獲取溫濕度的數(shù)據(jù)為例，部分關(guān)鍵代碼如下：

……………………….

/* 訂閱topic */

mqttAndroidClient.subscribe（topic， 0， null， new IMqttActionListener（） {@Override.......}）；

……………………….

/* JSON解析提取溫度值 */

String tempc= jsonObject.optString（"temp"）；

JSONObject temp_data = new JSONObject（tempc）；

String temp2 = temp_data.optString（"value"）；

temp.setText（temp2.toString（）+"℃"）；

……………………….

/* JSON解析提取濕度值 */

String humic= jsonObject.optString（"hum"）；

JSONObjecthumi_data = new JSONObject（humic）；

String humi2 = humi_data.optString（"value"）；

hum.setText（humi2.toString（）+"RH%"）；

……………………….

5 系統(tǒng)測試

遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)測試包括ESP8266模塊、阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺、移動端APP，測試內(nèi)容主要包括傳感器數(shù)據(jù)的獲取、硬件設備與阿里云的連接情況、云產(chǎn)品流轉(zhuǎn)及移動端APP的數(shù)據(jù)獲取情況。

ESP8266模塊主要測試MQTT連接是否正常、各類傳感器數(shù)據(jù)的獲取是否正常。以測試溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)獲取為例，對ESP8266上電后利用Arduino軟件中的串口監(jiān)視器工具查看，可見MQTT連接正常，溫濕度數(shù)據(jù)獲取正常，如圖7所示。

阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺主要測試內(nèi)容為創(chuàng)建設備的上線情況、數(shù)據(jù)獲取及云產(chǎn)品流轉(zhuǎn)功能是否正常。運行ESP8266和移動端APP后，登錄物聯(lián)網(wǎng)平臺實例中的設備頁面，其中創(chuàng)建的test代表ESP8266設備、Android代表移動端設備，可見2個設備均已在線，如圖8所示。

查看云端運行日志可知數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)的情況，即傳感器數(shù)據(jù)從ESP8266端發(fā)送到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，云端設備（test）獲取數(shù)據(jù)后進行云產(chǎn)品流轉(zhuǎn)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至云端移動端設備（Android），下發(fā)數(shù)據(jù)至移動端APP。云端運行日志如圖9所示。

運行移動端APP后，在模擬器中可以看到APP能正常運行，并能成功獲取溫度、濕度、煙霧、光照數(shù)值，如圖10所示。通過軟件下方的logcat也能看出，APP連接MQTT正常，并每隔3 s實時獲取云端Android設備下發(fā)的數(shù)據(jù)，如圖11所示。

經(jīng)過連續(xù)24 h左右的測試，系統(tǒng)運行正常，各傳感器數(shù)據(jù)輸出穩(wěn)定。相比其他環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，本系統(tǒng)基于阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，支持多種通信協(xié)議和設備接入方式，可以與各種硬件設備和軟件系統(tǒng)進行集成，可根據(jù)實際需求進行擴展和定制，且硬件價格便宜、布局靈活，應用價值較高。

6 結(jié)束語

遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集環(huán)境溫濕度、煙霧、光照數(shù)據(jù)，并通過阿里云將數(shù)據(jù)下發(fā)到移動端設備實現(xiàn)遠程監(jiān)測。遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)運行可靠，硬件價格低廉，具有較好的擴展性和實用性，后續(xù)可以進一步添加其他傳感器或執(zhí)行器設備（如燈光、風扇的控制等）實現(xiàn)功能拓展，能廣泛應用于各類環(huán)境監(jiān)測的場景。

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作者簡介：孫振華（1984-），男，碩士，講師。研究方向為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，軟件設計，影視后期制作。