基于STM32的4G溫濕度遠程監測系統設計

羅洋坤

摘要：針對手機終端對溫濕度進行遠程監測成為一種趨勢，本研究通過4G網絡設計低成本和容易推廣使用的監測系統，并實現選擇性實時監測并降低監測系統流量消耗。方案采用以采集子網為核心，內部通過nRF24L01無線模塊通信，采集子網與手機終端通過4G路由器與OneNET服務器組網實現遠程通信。方案中使用了主動詢問和選擇傳輸的方法，經過測試，設定匯總節點每30秒主動獲取手機終端控制命令并進行選擇性傳輸，在采集子網數據全部傳輸的情況下，4G路由器24小時消耗流量在30-80 M之間，在手機端關閉監測功能情況下，4G路由器24小時消耗的流量在3-10 M之間。實驗結果證明用戶通過該系統可以進行有選擇性的實時監測，并有效降低了流量消耗。

關鍵詞：溫濕度；4G路由器；OneNET服務器；遠程監測；選擇傳輸；流量消耗

0引言

實時溫濕度控制的應用比較廣泛，比如大棚、室內等。溫濕是影響作物生長的關鍵因素，單一大棚內溫度差異較小，而濕度在局部呈現較大差異。采用單一傳感器采集濕度數據難以準確反映實際情況，通過多節點采集可有效提高準確性，反映室內整體和局部的濕度情況。溫濕度遠程監測系統設計在為了降低監測系統中傳感節點的能耗，提出了節點動態組包主動傳輸和多種環境變量加權控制傳輸機制，減少了大量重復冗余數據的傳輸。系統利用3G/4G網絡具有無須布線、傳輸速度高、實時性好的優點，采用4個子節點和1個匯總節點構建大棚溫濕度采集子網，采集子網內部通過nRF24L01無線模塊實現短距離通信，匯總節點通過4G路由器與OneNET服務器實現遠程通信。在此基礎上進一步研究選擇性實時監測并降低流量消耗的問題。

1網絡方案

控制網絡由采集子網、4G無線路由器、OneNET服務器組成。采集子網使用網線連接4G無線路由器，采集子網的匯總節點以客戶端模式通過TCP/IP方式主動連接OneNET服務器，用戶基于OneNET平臺設計手機APP應用軟件，登錄控制界面實現遠程監測。為降低通信流量，在采集子網內部對數據處理分析，傳輸處理后的數據。

1.1采集子網

匯總節點與子節點之間為星型結構，單個子節點與匯總節點建立短距離的無線連接。匯總節點負責接收4個子節點傳輸的溫濕度數據，并進行存儲、處理和傳輸，子節點負責定時采集溫濕度數據，對數據進行處理后傳輸到匯總節點。采集子網控制電路板基于STM32F407VET6控制芯片進行設計。此外，匯總節點控制電路板集成了AT24C02存儲模塊，用于保存溫濕度數據，防止匯總節點重啟后溫濕度數據丟失。溫濕度傳感器選擇DHT11型，具有能耗低、性能穩定、數字輸出全部校準的優點。短距離無線收發模塊采用nRF24L01型，具有功耗低的優點，有效通信距離可達100米，滿足單個大棚之內的通信。嵌入式系統的網絡化需要實現TCP/IP協議棧。匯總節點通過W5200網絡模塊與4G無線路由器連接實現網絡功能。

W5200芯片采用全硬件TCP/IP協議棧的嵌入式以太網控制器，STM32F407VET6通過SP11接口與其通信。單個子節點有5個溫濕度傳感器，每10秒采集一次溫濕度，得到5個溫濕度值，在實際環境中，單個傳感器可能損壞或采集數據不成功，因此選擇5個溫濕度值的中值作為該子節點采集的溫濕度。子節點采集完成后通過nRF24L01無線收發模塊將溫濕度值傳送到匯總節點，匯總節點通過AT24C02模塊有序存儲4個子節點的溫濕度值。單個子節點對5個溫濕度值的處理過程：將5個溫度和濕度值分別通過冒泡法進行排序取中值。每一個單節點將溫度中值和濕度中值確定后傳輸到匯總節點。匯總節點對4個子節點溫濕度值的處理過程：將4個溫度值取平均值，將4個濕度值按照對應子節點序號存儲并求平均值。

1.2遠程網絡

4G路由器網絡協議是IEEE 802.11 b/g/n。在設計中安裝流量卡的4G路由器通過網線與W5200連接。匯總節點通過編程控制實現上網，其IP必須與4G無線路由器的網關IP屬于同一個子網。此外，控制終端的MAC地址不能設定為路由器自身MAC地址。本次實驗中匯總節點作為客戶端采用靜態IP方法連接網絡，網絡參數配置如表1所示，OneNET平臺配置相關參數如表2所示。

控制界面基于OneNET平臺進行設計，控制界面包括開關按鈕、平均溫度動態曲線圖、平均濕度動態曲線圖、子節點濕度動態曲線圖，控制界面如圖1所示。

根據實際情況，單個大棚內溫度差異不大，空氣濕度差異較大，因此為減少傳輸的數據量，溫度數據只動態顯示平均值，濕度包括平均值和各個子節點數據的顯示，以把握整體和局部的濕度情況。溫濕度監測總開關控制采集子網所有采集數據傳輸的開啟和關閉，濕度平均值獨立開關控制匯總節點采集的4個子節點平均濕度數據傳輸的開啟和關閉，4個子節點開關控制4個子節點濕度數據傳輸的開啟和關閉。

2系統分析與測試

匯總節點定時主動詢問六個開關狀態，根據詢問結果上傳大棚溫濕度數據。通過在程序中設定檢測規則來實現降低流量消耗。在每一次的定時檢測中，首先，匯總節點檢測大棚溫濕度監測總開關的狀態，如果是OFF則不進行對其他開關的檢測，也不用上傳溫濕度數據，這種情況下流量消耗最低，如果是ON則檢測溫濕度平均值獨立開關的狀態，如果是ON則只傳輸大棚溫度和濕度平均值，不再檢測四個子節點的開關狀態，也不上傳四個子節點的濕度數據，這種情況下流量消耗為中級，如果是OFF則上傳大棚的溫度和濕度平均值，并且需要檢測四個子節點的開關狀態，根據開關狀態傳輸子節點的濕度數據，這種情況下流量消耗最高，流量消耗等級表如表3所示。

為使系統長期穩定工作，增加了看門狗和網絡超時重啟程序，當網絡異常或死系統自動重啟。匯總節點每30秒定時去獲取控制界面監測命令，并根據命令選擇性傳輸。經實際測試，在采集數據全部傳輸的情況下，4G路由器24小時消耗流量30-80 M，在關閉子節點傳輸功能情況下，4G路由器24小時消耗流量15-40 M。實驗結果證明通過該選擇性實時監測方法有效降低了流量消耗。

3結束語

本文研究并實現一種基于4G的大棚溫濕度遠程監測系統。通過該系統，用戶可通過手機選擇性實時遠程監測，有效降低了監測系統流量消耗，其搭建網絡和遠程控制方法對其他環境信息采集系統的設計也具有參考意義。此外，對子節點故障實時檢測和故障情況下的數據處理方法還需深入研究。endprint