基于MQTT協議的阿里云IoT平臺遠程電壓采集系統設計

徐世翔，曹 原

（南陽理工學院，河南 南陽 473000）

0 引 言

隨著物聯網行業的快速發展，萬物智聯的概念逐漸興起，5G網絡的到來更是加速了物聯網的發展進程?，F如今，物聯網在各行各業均有非常廣泛的應用，如物聯網監控系統、智能快遞柜等，無不為人們的生活增添了極大的便利[1-5]。本文基于物聯網技術，順應時代的潮流，意在打通傳統單片機與物聯網平臺的壁壘；在技術上將二者相結合，進行實驗性和驗證性的設計。本設計以搭載STM32F103RB的NUCLEO實驗板[6-7]作為主控單元，配合ESP8266模塊實現設備聯網；同時使用板載的ADC通道1、2測量外部電壓輸入，采集核心溫度、核心電壓通道數據，使用MQTT協議同步上傳至阿里云平臺，實現遠程電壓監測的設計。

1 系統總體設計

本系統總體設計如下：阿里云平臺包括注冊、平臺配置等，通過模擬MQTT小程序模擬上報數據，用于測試平臺配置；ESP8266模塊包括使用AT指令配網，學習MQTT協議，編寫程序對數據進行采集，對模塊進行分布調試（串口、網絡、IoT平臺），進行數據上報；IoT Studio中的Web應用包括頁面編輯、組件使用、數據源配置、美化網頁等。同時對釘釘機器人的配置進行學習，貫通平臺，實現設計要求。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

2 系統硬件設計

2.1 物聯網模塊設計

ESP8266模塊連接WiFi熱點的原理是通過串口向其發送模塊配置指令（稱為AT指令）[8-10]。在編寫程序前可以先使用USB轉串口模塊對其進行調試，熟悉配網流程與相應的操作，成功之后再對程序進行編寫，提高開發效率。查詢ESP8266技術手冊可知，配網操作需要使用表1所列指令。

表1 ESP8266模塊AT指令

發送指令后，模塊將回復相應的內容，例如“OK”，表示操作完成。ESP8266模塊使用MQTT協議連接阿里云平臺有多種方式，在實踐中本文選擇了難度較低、較易實現的固件燒錄。在ESP8266出廠版本的固件中，并不包含可以通過MQTT協議連接云平臺的AT指令。根據官方手冊與使用指南中的“固件燒錄”可以找到相應的方法與流程。成功后，可以直接根據AT指令配置模塊，通過MQTT協議連接阿里云平臺。此時，在產品設備詳情中即可看到設備在線。

2.2 主控程序設計

在usart.c中添加串口重定向函數，使得在程序中可以使用printf指令向模塊發送AT指令。將ESP8266操作指令封裝進頭文件esp8266.h，加入工程include路徑中；并在esp8266.h的起始位置編寫頭文件定義，在esp8266.h中編寫配網AP指令，設置單片機應答內容；在main.c文件中定義變量，在main函數初始化代碼后添加定時器使能、DMA校準、DMA使能等相應程序，在定時器中斷回調函數中編寫時間片輪轉調度程序；在while循環之前調用指令進行配網、阿里云平臺用戶配置等操作，在while循環中使用switch語句編寫時間片輪轉調度程序；在任務1中LED以1 s間隔閃爍，任務2中采集核心溫度，任務3中采集核心電壓與通道電壓，任務4中上報物模型數據。

2.3 物聯網平臺界面設計

如圖2所示，進入項目詳情頁面主頁，在項目開發中選擇Web應用，新建一個Web應用，自定義應用名稱與描述后點擊確定。在編輯頁面的左邊欄中，選擇組件，即可進入組件列表。

圖2 組件列表

將需要使用的組件拖入頁面中，即可添加組件。單擊組件，即可在右邊欄中定義組件屬性。例如，需要使用組件儀表盤時，將儀表盤組件從左邊欄中拖出，點擊新組件，在右邊欄中定義數值范圍、數值單位、標題內容、數據源等。在左邊欄中的頁面選項，可以自定義頁面元素，例如導航布局中的邊欄、子頁面入口等。“儀表盤”組件如圖3所示。

頁面繪制完成后，即可發布上線，點擊預覽即可預覽網頁效果，如圖4所示。

2.4 釘釘機器人配置

使用PC版釘釘應用，在群聊中的智能群助手頁面，新建一個釘釘機器人，類型為自定義。鍵入機器人名稱后，復制下方生成的Webhook地址，如圖5所示。

圖5 釘釘機器人配置

進入項目詳情頁面中的主頁，在項目開發中找到業務邏輯頁面，創建一個新的業務邏輯，點擊新建空白業務服務。進入編輯頁面，在左邊欄中的節點頁面，選擇正確的節點并連接，即可實現釘釘機器人推送設備數據的功能。配置完成后，部署調試，發布上線即可。邏輯節點配置如圖6所示。

圖6 業務邏輯節點配置

3 調試與配置

燒錄程序后，復位單片機程序執行，串口1與模塊通信，串口2與PC機通信，使用USB轉串口模塊接收串口1發出的指令，如圖7所示。串口數據發送正確無誤，接入模塊后可以實現自動配網、數據上傳。串口2與PC機通信，上報程序狀態，使用USB線連接開發板接收串口2發出的狀態，如圖8所示。

圖7 串口1發送數據

圖8 串口2發送數據

串口數據發送正確無誤，可以顯示程序當前狀態。此時，ESP8266模塊網絡連接正常，與阿里云平臺連接正常，物模型數據上報正常，如圖9所示。

圖9 物模型數據上報

在Web應用中，可以顯示當前數據，同時實時繪制數據波形，如圖10所示。釘釘機器人可以正常工作，當電壓超過閾值時可以向群組推送消息，如圖11所示。

圖10 Web應用頁面預覽

圖11 釘釘機器人消息推送

4 結 語

本文設計了一款基于STM32單片機的物聯網電壓采集系統。系統選用STM32F103RB單片機作為主控芯片，整體造價較低；采用板載的ADC進行數據采集，并通過MQTT協議與ESP8266模塊實現系統物聯網平臺通信，使用釘釘API進行數據推送。經測試，系統性能穩定，易于市場推廣。