基于STM32和阿里云的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)

李紅衛(wèi)

（山東魯碧建材有限公司，山東濟(jì)南，271103）

0 引言

阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺是具有設(shè)備接入與管理、監(jiān)控運(yùn)維、存儲與流轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)、訂閱發(fā)布消息等功能的一體化平臺。支持多個(gè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接，采集設(shè)備數(shù)據(jù)存儲到云服務(wù)器；服務(wù)端按照協(xié)議發(fā)送指令到設(shè)備，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

本文通過移植MQTT協(xié)議到STM32F103單片機(jī)，通過串口控制ESP8266無線模塊將空氣中溫濕度和有害氣體濃度傳送到阿里云，并利用loT Studio物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)服務(wù)設(shè)計(jì)電腦端WEB應(yīng)用和手機(jī)APP。同時(shí)云端可以通過STM32控制現(xiàn)場照明設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了對現(xiàn)場空氣質(zhì)量的監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，主要包括STM32單片機(jī)模塊，DHT11傳感器模塊，MQ135傳感器模塊，ESP8266無線模塊，阿里云模塊，繼電器模塊。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制器選擇

控制器采用STM32F103芯片，該芯片是意法半導(dǎo)體推出的高性能、低功耗的32位處理器。其最高工作頻率72MHz，128k字節(jié)的閃存程序存儲器，高達(dá)20k字節(jié)的SRAM，2個(gè)12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，7通道的DMA控制器，多達(dá)80個(gè)快速I/O端口。該芯片性價(jià)比高、可靠穩(wěn)定性好。

2.2 MQ135傳感器

MQ135傳感器可以檢測氨氣、硫化物等多種有害氣體在空氣中的濃度，其檢測元件是二氧化錫（Sn02）。二氧化錫在干凈的空氣中電導(dǎo)率是較低的，隨著污染氣體濃度的上升，其電導(dǎo)率會增大。通過相應(yīng)的外圍電路可以輸出與污染氣體濃度相對應(yīng)的電壓信號。其監(jiān)測濃度范圍10~1000ppm，具有壽命長，低成本的特點(diǎn)。

實(shí)際使用中，采用MQ135傳感器模塊，四個(gè)端口分別為VCC、GND、AOUT和DOUT，其中AOUT接STM32內(nèi)置的AD轉(zhuǎn)換器的輸入引腳。模塊電路圖如圖2所示。

圖2 MQ135傳感器模塊原理圖

STM32具有3個(gè)12位分辨率的ADC,每個(gè)ADC共用21個(gè)外部檢測通道，具有單次或多次掃描轉(zhuǎn)換功能，轉(zhuǎn)換速度最快只需1μs。同時(shí)我們利用STM32的直接內(nèi)存存儲器（DMA）功能，把ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果直接傳輸?shù)絊RAM，節(jié)省了CPU資源，處理速度進(jìn)一步提升。

通過MQ135的靈敏度特性曲線可以發(fā)現(xiàn)RS/R0與ppm的關(guān)系。利用曲線擬合方程工具，在標(biāo)準(zhǔn)條件下（溫度20℃，濕度65%，氧氣濃度21%，RL=10K）,對靈敏度曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和曲線擬合，得出甲烷濃度和傳感器電壓的大致關(guān)系：

ppm=pow((3.488＊10＊A DC_VALUE)/(5-ADC_VALUE),(1.0/0.3203))。

2.3 DHT11溫濕度傳感器

DHT11是一款溫濕度一體的數(shù)字化傳感器，包括一個(gè)電阻式測濕元件和一個(gè)NTC測溫元件，具有穩(wěn)定性好，響應(yīng)快，成本低等優(yōu)點(diǎn)。DHT11與STM32之間采用簡單的單總線通訊，僅需要一個(gè)IO口就可以將40bit的溫濕度數(shù)據(jù)一次性傳送給STM32。數(shù)據(jù)采用校驗(yàn)和方式方式校驗(yàn)，有效的保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。DHT11功耗較低，5V電壓工作下，工作平均最大電流0.5mA，溫度測量范圍0℃~50℃，濕度測量范圍20~90%RH。

2.4 ESP8266無線模塊

ESP8266是串口型WIFI，擁有無線高性能SOC，能夠獨(dú)立運(yùn)行，也可以作為slave搭載于其他Host運(yùn)行。芯片內(nèi)部集成內(nèi)核CPU、電源管理轉(zhuǎn)換器、天線開關(guān)balun等。同時(shí)內(nèi)嵌了高速緩存存儲器，減少內(nèi)存需求，提高了系統(tǒng)運(yùn)行效率。

ESP8266有三種網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行模式：STA模式、AP模式和STA+AP模式。本系統(tǒng)中ESP8266主要承擔(dān)了信息接受和信息發(fā)送的任務(wù)，故設(shè)置為STA模式。通過AT指令來連接到設(shè)定的路由器上。

AT+CWJAP=ssid,pswd; 其中ssid為路由器名稱，pswd為路由器密碼。

設(shè)備登錄阿里云的AT指令為：

AT+IOTCFG=devicename;productkey;devicesecret;其中devicename為創(chuàng)建的設(shè)備名稱，productkey為產(chǎn)品名稱，devicesecret為設(shè)備密鑰。這三個(gè)在阿里云平臺創(chuàng)建產(chǎn)品和設(shè)備的時(shí)候可以得到。

STM32通過串口2與ESP8266通訊,具體接線方式如圖3所示，ESP8266原理圖如圖4所示。

圖3 ESP8266與STM32引腳

圖4 ESP8266原理圖

2.5 繼電器輸出模塊

當(dāng)STM32接收到云端發(fā)來的控制命令時(shí)，可以通過繼電器模塊執(zhí)行相應(yīng)操作，這里用來控制現(xiàn)場照明設(shè)備。原理圖如圖5所示。當(dāng)PD0輸出高電平時(shí)，點(diǎn)亮光電耦合器內(nèi)部LED，晶體管導(dǎo)通，此時(shí)Q1的G電壓很低，當(dāng)Q1導(dǎo)通的時(shí)候，電磁線圈內(nèi)部產(chǎn)生電流，繼電器吸合。當(dāng)PD0輸出低電平時(shí)，Q1關(guān)閉，繼電器復(fù)位。繼電器模塊是5V供電，STM32單片機(jī)系統(tǒng)是3.3V供電，所以采用光電耦合器進(jìn)行隔離，起到了保護(hù)作用。

圖5 繼電器模塊原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

STM32控制器的開發(fā)環(huán)境是MDK 5，采用C語言編程，移植了MQTT傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)與阿里云平臺的可靠通訊。將STM32的usart1與電腦端串口調(diào)試助手相連，可以實(shí)時(shí)打印出控制器的運(yùn)行和連接狀態(tài)，方便系統(tǒng)的調(diào)試。軟件流程圖如6所示。

圖6 系統(tǒng)流程圖

3.1 DHT11溫濕度數(shù)據(jù)采集

STM32通過PA8讀取DHT11數(shù)據(jù)，上電后先對DHT11進(jìn)行初始化，當(dāng)PA8檢測到返回0時(shí)，說明初始化成功。DHT11的溫濕度數(shù)據(jù)存放在5個(gè)字節(jié)，其中包括8位濕度整數(shù)部分、8位濕度小數(shù)部分、8位溫度整數(shù)部分和8位溫度小數(shù)部分。因?yàn)镈HT11一次通訊時(shí)間最大3ms，所以stm32連續(xù)采樣間隔不小于100ms。讀取數(shù)據(jù)的關(guān)鍵程序如下所示：

3.2 MQ135有害氣體濃度數(shù)據(jù)采集

MQ135模塊輸出的時(shí)模擬信號，電壓范圍是是0到5V，檢測到有害氣體的濃度越高，輸出電壓越高。stm32首先對AD轉(zhuǎn)換器和DMA進(jìn)行初始化，然后將MQ135的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過公式計(jì)算出有害氣體濃度。關(guān)鍵代碼如下所示：

3.3 數(shù)據(jù)上傳和命令下發(fā)

MQTT是一種具有發(fā)布/訂閱模式功能的輕量級通訊協(xié)議。具有代碼設(shè)計(jì)簡單，帶寬占用低，通訊實(shí)時(shí)可靠的特點(diǎn)。對于受限環(huán)境如物聯(lián)網(wǎng)通訊，尤為適用。本協(xié)議運(yùn)行在TCP/IP協(xié)議上，有以下特點(diǎn)：

（1）發(fā)布/訂閱消息模式，提供了一對多的消息分發(fā)和應(yīng)用之間的解耦。

（2）消息傳輸不需要知道負(fù)載內(nèi)容。

（3）提供三種等級的服務(wù)質(zhì)量。

（4）“至多一次”，底層完全依靠TCP/IP協(xié)議，有出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的機(jī)率。

（5）“至少一次”，確保消息到達(dá)，但有數(shù)據(jù)重復(fù)的概率。

（6）“僅一次”，保證消息只到達(dá)一次。

（7）網(wǎng)絡(luò)流量占用低，傳輸簡單，協(xié)議交換方便。

（8）發(fā)送異常中斷時(shí)，利用Last Will與Testment功能告知客戶端。

由于阿里云平臺只接受Alink JSON 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式，所以在ESP8266采集數(shù)據(jù)之后要進(jìn)行數(shù)據(jù)嵌套，然后再通過MQTT協(xié)議發(fā)送到云端。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與上傳的核心程序如下所示：

同時(shí)可以訂閱阿里云的相關(guān)主題，將平臺下傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，獲取核心數(shù)據(jù)，然后跟本地設(shè)定好的字符串對比，成功則執(zhí)行相關(guān)命令。這里我們通過云平臺控制現(xiàn)場照明，如果發(fā)送的命令參數(shù)是LED:1則打開照明設(shè)備，如果是LED:0則關(guān)閉照明設(shè)備。核心程序如下所示：

4 阿里云平臺設(shè)計(jì)

4.1 準(zhǔn)備工作

首先要注冊阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，登陸后選擇公共實(shí)例，主要包括以下步驟：創(chuàng)建產(chǎn)品與設(shè)備，為產(chǎn)品定義物聯(lián)網(wǎng)模型，建立設(shè)備與平臺的連接，服務(wù)端訂閱設(shè)備消息，云端下發(fā)指令。創(chuàng)建的產(chǎn)品是管理一類設(shè)備的集合，每一個(gè)平臺設(shè)備對應(yīng)一個(gè)實(shí)際的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。創(chuàng)建完設(shè)備會獲得平臺提供的設(shè)備三元組，即ProductKey、DeviceName和DeviceSecret。然后按照平臺設(shè)定的協(xié)議規(guī)則得到Username、Password、ClientID、IP等參數(shù)，最終燒錄到物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，作為連接阿里云的身份驗(yàn)證信息。

本文中創(chuàng)建了溫度、濕度、MQ135空氣質(zhì)量和控制LED四個(gè)屬性，主要包含功能名稱、標(biāo)識符、數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)定義四個(gè)屬性，具體如圖7所示。

圖7 屬性和功能

4.2 WEB端和APP開發(fā)

loT Studio是阿里云提供的一款簡單、高效的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)工具，適用于各個(gè)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)核心場景。提供了豐富的產(chǎn)品和設(shè)備選擇。具有web和移動可視化開發(fā)功能，開發(fā)者無需編寫代碼就可以快速搭建WEB端和移動端應(yīng)用。通過拖拽的方式引入儀表盤、歷史曲線圖、設(shè)備控制面板等控件，然后為每個(gè)控件配置數(shù)據(jù)源，應(yīng)用搭建完畢就可以預(yù)覽和使用，并支持綁定自己的域名對最終用戶進(jìn)行發(fā)布。本文設(shè)計(jì)的WEB端運(yùn)行效果如圖8所示。APP端如圖9所示。

圖8 WEB運(yùn)行界面

圖9 手機(jī)APP界面

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，可以監(jiān)測空氣中的有害氣體濃度和溫濕度，并可以將數(shù)據(jù)傳送到阿里云平臺，用戶可以通過電腦web端和手機(jī)app查看，同時(shí)可以控制現(xiàn)場照明設(shè)備。系統(tǒng)可靠，成本低滿足了現(xiàn)場環(huán)境的需要。