基于機智云的環境數據采集系統設計

張 珩，李 敏

（西安歐亞學院 信息工程學院，陜西 西安 710065）

0 引 言

基于機智云的環境數據采集系統由數據采集模塊、數據上傳模塊以及機智云模塊構成，即可通過機智云實時地查看目標環境中對應的環境數據。

數據采集模塊是將各采集節點連接的傳感器所采集到的數據，通過A/D模塊轉換成相應的可讀數值，通過射頻模塊將數據傳輸到數據上傳平臺上[1]。并且為滿足數據采集模塊采集的數據種類的多樣性，除了選用常見的測量溫濕度、光照、煙霧信息的傳感器，還選用測量雨量以及土壤濕度信息的傳感器。

數據上傳模塊是將由數據采集模塊通過射頻傳輸的數據進行分析和處理，同時將數據通過WiFi上傳到機智云平臺。為了滿足本系統通過手機機智云APP實時查看采集的數據，并能提供相對穩定的網絡傳輸環境，故選用nRF24L01射頻模塊以及ESP8266 WiFi模塊作為通信模塊。nRF24L01射頻通信模塊將土壤濕度、煙霧濃度、光照度、雨量以及空氣溫濕度數據由數據采集模塊傳輸至數據上傳模塊，ESP8266 WiFi通信模塊將數據上傳模塊處理過的數據上傳到機智云平臺。

機智云模塊是接收由ESP8266 WiFi通信模塊上傳的環境數據，再將相應的環境數據傳輸到機智云APP上，這里需要機智云端與機智云APP處于同一網絡下，才能使APP實時接收到由數據上傳模塊傳輸的數據。

基于機智云的環境數據采集系統的創新點在于，系統使用機智云平臺進行數據的監測，無需現場布線就能實現實時監測目標環境的空氣溫濕度、光照度、土壤濕度、煙霧濃度以及雨量等數據。

1 工作原理

1.1 設計思路

使用多個STM32單片機分別連接多款傳感器，使其形成多個數據采集節點，稱之為數據采集模塊。每個采集節點通過nRF24L01射頻通信模塊連接到數據上傳模塊，傳輸環境數據。數據上傳模塊通過連接ESP8266 WiFi通信模塊使數據上傳到機智云平臺，比如在手機APP上顯示目標環境的空氣溫濕度數據及煙霧濃度數據，實現智能互聯，實時查看環境數據。

1.2 總體結構

基于機智云的環境數據采集系統包括數據采集模塊、數據上傳模塊和機智云模塊，總體結構如圖1所示。

圖1 總體結構

數據采集模塊包括溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、雨滴傳感器、煙霧傳感器、光敏傳感器等5種傳感器。數據上傳模塊是由射頻通信模塊、WiFi通信模塊與STM32單片機相連接組成的。機智云模塊是由機智云端和機智云APP組成。

1.3 模塊設計

1.3.1 硬件設計

硬件設計分為單片機、傳感器、通信模塊三個部分。

單片機分別使用了STM32F103C8T6和STM32F407ZGT6兩款單片機。

STM32F103C8T6單片機的晶振是工作頻率為72 MHz，內置高速嵌入式存儲器，以及廣泛的增強I/O口和連接2條APB總線的外圍設備，提供2個12位ADC、3個通用16位定時器和1個PWM定時器，以及標準和高級通信接口[2]：最多2個I2C和SPI以及3個USART。

STM32F407ZGT6單片機具有工作頻率為168 MHz的晶振，支持FPU（浮點運算）和DSP指令，支持調試SWD和JTAG，還具有1 024 KB FLASH空間、192 KB SRAM空間、3個12位A/D以及2個D/A接口[3]。

傳感器部分共使用5款不同的傳感器芯片。

（1）溫濕度傳感器選用的是DHT11。其內含一個電阻感濕元件和NTC測溫元件，可以同時對溫度以及濕度進行測量，將DHT11溫濕度傳感器與MCU相連接，可以傳遞一個40 bit的數據到單片機中。其中高位先出，數據格式由8 bit的濕度整數、8 bit的濕度小數、8 bit的溫度整數、8 bit的溫度小數、8 bit的校驗和組成[4]。使用該模塊時要注意避免在暴露情況下使用。若要長期工作或儲存，最好保證溫度在10～40 ℃之間，濕度低于60%，同時DHT11溫濕度傳感器模塊測量范圍為：濕度20%RH～90%RH，誤差±5%RH；溫度0～50 ℃，誤差±2 ℃。

（2）煙霧傳感器選用的是MQ-2。該型號的煙霧傳感器對烷類氣體以及煙霧均有較高的靈敏度，具有長期的使用壽命、較高的穩定性和廣泛的探測范圍，并且該模塊帶有信號輸出指示燈，同時具有雙路信號輸出。同時，煙霧傳感器模塊上帶有LM393比較器，具有簡單的外圍驅動電路，使用溫度范圍為-10～50 ℃，相對濕度小于95%時最佳[5]。

（3）土壤濕度傳感器選用YL-69。該傳感器與LM393比較器相連接，外圍電路設計簡單方便且功耗低，同時該傳感器體積小巧化設計，攜帶方便，安裝、操作及維護簡單；結構設計合理，不繡鋼探針保證使用壽命；土質影響較小，測量精度為±3%；響應速度[6]小于1 s。

（4）光敏傳感器選擇光敏電阻傳感器。光敏電阻傳感器常用于光線亮度檢測、智能小車尋光等方向，傳感器載有光敏電阻以及LM393比較器，光敏電阻對環境光線最敏感，常用來檢測光線亮度，驅動能力強[7]。其工作電壓為3.3～5 V，且帶有電源指示燈和開關指示燈。

（5）雨滴傳感器上設有固定螺栓孔，方便安裝，5.0 cm×4.0 cm的尺寸，用鍍鎳處理表面，具有對抗氧化、導電性及壽命方面更優越的性能，并且價格低廉。

通信模塊分別為nRF24L01射頻通信模塊和ESP8266 WiFi通信模塊。

nRF24L01射頻通信模塊采用FSK調制方式，內部集成Enhanced Short Burst 協議，可以實現點對點或者1對6的無線通信，無線通信速度[8]可以達到2 MB/s。

ESP8266 WiFi模塊內置 TCP/IP 協議棧，能夠實現串口與WiFi之間的轉換。該模塊可以快速構建串口-WiFi數據傳輸方案，方便設備使用互聯網傳輸數據。

1.3.2 軟件程序設計

軟件程序設計主要分為數據采集模塊和數據上傳模塊兩部分。數據采集模塊的程序流程如圖2所示。數據上傳模塊的程序流程如圖3所示。

圖2 數據采集模塊的程序流程

圖3 數據上傳模塊的程序流程

數據采集程序中首先是要進行相關函數的初始化，例如LED初始化函數、AD初始化函數等；其次需要判斷傳輸數據所采用的射頻模塊是否存在，并且若該模塊存在設置模塊為發送模式。針對DHT11空氣溫濕度傳感器同時也需要判斷該芯片是否存在；最后需要循環讀取各傳感器經A/D模塊轉換后的模擬電壓值，再將數據通過射頻模塊發送出去，由數據上傳模塊接收。

數據上傳程序循環采集數據并上傳至云端。先進行相關函數的初始化；接著判斷射頻模塊以及WiFi模塊是否存在，若存在則設置射頻模塊為接收模式，將WiFi模塊設為Airlink模式，轉換環境數據格式；最終調用機智云用戶采集函數以及對應通信協議完成數據上傳即可[9]。

1.3.3 機智云設計

本次機智云設計分為設備的創建和機智云APP兩部分。機智云設備創建步驟如下：

（1）登錄機智云首頁，注冊機智云賬號，進入開發者中心頁面，點擊創建新產品，在產品分類中選擇對應的大類；

（2）填寫產品名稱。

選擇技術方案（WiFi/移動網絡方案、藍牙方案、網關方案），本次設計選擇WiFi/移動網絡方案。

選擇通信方式（WiFi、移動網絡、NB-IoT），本次設計選擇通信方式為WiFi。

選擇數據傳輸方式（定長、變長），“定長”指在功能數據點上報下發時一并傳輸；“變長”指在功能數據點上報下發時傳輸改變的功能數據點。本次設計選擇定長數據傳輸方式。

選擇功耗類型（正常、低功耗），本次設計選擇正常功耗類型。

選擇完畢后，點擊保存即可。

（3）打開基本信息界面，點擊Prduct Secret右側“顯示完整密鑰按鍵”，輸入機智云賬號密碼，獲取完整密鑰并將密鑰保存，方便后續使用[10]。

（4）進入數據點頁面，點擊創建數據點，填寫標識名。標識名為程序中所涉及變量的名稱，本次設計中，標識名分別為wendu、shidu、rain、smoke、soil、light。由于基于機智云的環境數據采集系統只涉及數據的上傳，故本次設計讀寫類型選擇只讀類型，數據類型選擇為數值型即可。

（5）點擊添加按鈕，完成數據點創建。

由機智云官網生成設備對應的MCU代碼，自行根據需求進行移植。

機智云APP是在機智云官網下載基礎的demo版本（Android版本），根據自己的需求在Android Studio軟件上進行修改。機智云界面如圖4所示。

圖4 機智云界面

從圖4可以依次看到，溫度、濕度、雨量、煙霧、土壤濕度以及光照度的圖案，最終將在圖案后顯示采集到的環境數值。

2 結 語

本文設計一款基于機智云的環境數據采集系統。該設計采用最小系統板進行開發，裝置占地面積小，并且具有成本低、容易安裝和檢修方便等優點。

基于機智云的環境數據采集系統使用了物聯網相關技術，即通信技術、嵌入式技術。搭建起用戶和系統的平臺，用戶可通過手機界面查看目標環境的環境數據，決定是否進行其他操作，例如：煙霧濃度過大，考慮目標環境是否有火災發生等；智能化的系統節省了大量的人力、物力及財力的投入。機智云平臺在運行中十分穩定，保證了系統的正常運行。