基于STM32+NBIOT+華為云IOT設(shè)計(jì)的智能井蓋

一、概述

智能井蓋是一種通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)井蓋狀態(tài)監(jiān)測(cè)和管理的設(shè)備。當(dāng)前介紹基于STM32微控制器，BC26 NBIOT模組以及華為云IOT平臺(tái)設(shè)計(jì)一款智能井蓋系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)光線(xiàn)傳感器、霍爾傳感器、溫濕度傳感器等設(shè)備實(shí)現(xiàn)井蓋狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)NBIOT網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳到華為云IOT平臺(tái)，再通過(guò)云平臺(tái)下發(fā)控制指令實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理。

應(yīng)用場(chǎng)景

智能井蓋系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于城市管理、交通建設(shè)等領(lǐng)域，其中具體應(yīng)用場(chǎng)景包括：

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井蓋狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)井蓋開(kāi)放或異常情況，提高城市管理的效率和安全性；

（2）提供實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，幫助提升城市環(huán)境監(jiān)測(cè)能力；

（3）利用NBIOT網(wǎng)絡(luò)和華為云平臺(tái)的遠(yuǎn)程控制功能，可以實(shí)現(xiàn)智能井蓋的開(kāi)關(guān)控制和監(jiān)管，避免人工操作不便和監(jiān)管不到位引起的危險(xiǎn)。

二、硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括傳感器模塊和控制模塊兩部分，其中傳感器模塊主要負(fù)責(zé)采集井蓋狀態(tài)信息，控制模塊則負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和通信。

【1】傳感器模塊

（1）光線(xiàn)傳感器：光線(xiàn)傳感器用于感知井蓋上方光線(xiàn)強(qiáng)度，判斷井蓋是否露出地面。當(dāng)井蓋被遮住時(shí)，光線(xiàn)傳感器輸出低電平；當(dāng)井蓋暴露在外時(shí)，光線(xiàn)傳感器輸出高電平。

（2）霍爾傳感器：霍爾傳感器用于感知井蓋狀態(tài)（開(kāi)/關(guān)），當(dāng)井蓋開(kāi)啟時(shí)，霍爾傳感器輸出高電平；當(dāng)井蓋關(guān)閉時(shí)，霍爾傳感器輸出低電平。

（3）溫度傳感器和濕度傳感器：溫度傳感器和濕度傳感器用于感知井蓋下方的環(huán)境溫濕度，實(shí)時(shí)反饋給系統(tǒng)，便于監(jiān)測(cè)井蓋下方環(huán)境狀況。

【2】控制模塊

（1）STM32微控制器：使用STM32F103C8T6微控制器，主要負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)采集、處理和控制模塊與NBIOT模組之間的通信。

（2）BC26 NBIOT模組：使用BC26 NBIOT模組，通過(guò)NBIOT網(wǎng)絡(luò)將采集到的井蓋狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳到華為云IOT平臺(tái)，同時(shí)支持遠(yuǎn)程控制井蓋開(kāi)關(guān)。

（3）LED指示燈：采用不同顏色的LED指示燈，將井蓋狀態(tài)（開(kāi)/關(guān)、異常、低電量）實(shí)時(shí)反饋給用戶(hù)。

軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)主要包括STM32微控制器程序設(shè)計(jì)和華為云IOT平臺(tái)開(kāi)發(fā)兩部分。

STM32微控制器程序設(shè)計(jì)： 主要包括三個(gè)模塊：傳感器采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和通信模塊。其中傳感器采集模塊負(fù)責(zé)采集傳感器數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理；數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯處理，判斷井蓋狀態(tài)；通信模塊負(fù)責(zé)與NBIOT模組之間的通信，將處理后的數(shù)據(jù)上傳至華為云IOT平臺(tái)。

三、華為云IOT平臺(tái)開(kāi)發(fā)

在華為云IOT平臺(tái)上，需要進(jìn)行設(shè)備接入、數(shù)據(jù)模型定義、規(guī)則引擎配置和應(yīng)用開(kāi)發(fā)等四個(gè)核心模塊的開(kāi)發(fā)。其中，設(shè)備接入模塊包括設(shè)備注冊(cè)、獲取設(shè)備證書(shū)、建立連接等步驟，以保障設(shè)備與云平臺(tái)之間的安全通信；數(shù)據(jù)模型定義模塊需要根據(jù)實(shí)際需求定義相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型，包括上傳數(shù)據(jù)格式、設(shè)備屬性和服務(wù)等。規(guī)則引擎配置模塊需要完成實(shí)時(shí)消息推送、遠(yuǎn)程控制和告警等功能。應(yīng)用開(kāi)發(fā)模塊則是將完整的智能井蓋系統(tǒng)進(jìn)行打包，為用戶(hù)提供統(tǒng)一的操作接口。

華為云官網(wǎng): https://www.huaweicloud.com/

打開(kāi)官網(wǎng)，搜索物聯(lián)網(wǎng)，就能快速找到 設(shè)備接入IoTDA。

3.1 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)介紹

華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)（IoT 設(shè)備接入云服務(wù)）提供海量設(shè)備的接入和管理能力，將物理設(shè)備聯(lián)接到云，支撐設(shè)備數(shù)據(jù)采集上云和云端下發(fā)命令給設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，配合華為云其他產(chǎn)品，幫助我們快速構(gòu)筑物聯(lián)網(wǎng)解決方案。

使用物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)構(gòu)建一個(gè)完整的物聯(lián)網(wǎng)解決方案主要包括3部分：物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、業(yè)務(wù)應(yīng)用和設(shè)備。

物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)作為連接業(yè)務(wù)應(yīng)用和設(shè)備的中間層，屏蔽了各種復(fù)雜的設(shè)備接口，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的快速接入；同時(shí)提供強(qiáng)大的開(kāi)放能力，支撐行業(yè)用戶(hù)構(gòu)建各種物聯(lián)網(wǎng)解決方案。

設(shè)備可以通過(guò)固網(wǎng)、2G/3G/4G/5G、NB-IoT、Wifi等多種網(wǎng)絡(luò)接入物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，并使用LWM2M/CoAP、MQTT、HTTPS協(xié)議將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上報(bào)到平臺(tái)，平臺(tái)也可以將控制命令下發(fā)給設(shè)備。

業(yè)務(wù)應(yīng)用通過(guò)調(diào)用物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供的API，實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集、命令下發(fā)、設(shè)備管理等業(yè)務(wù)場(chǎng)景。

3.2 開(kāi)通物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)

地址： https://www.huaweicloud.com/product/iothub.html

開(kāi)通標(biāo)準(zhǔn)版免費(fèi)單元。

開(kāi)通之后，點(diǎn)擊總覽，查看接入信息。 我們當(dāng)前設(shè)備準(zhǔn)備采用MQTT協(xié)議接入華為云平臺(tái)，這里可以看到MQTT協(xié)議的地址和端口號(hào)等信息。

總結(jié):

端口號(hào)：  MQTT (1883)| MQTTS (8883)    
接入地址： a3433ab133.iot-mqtts.cn-north-4.myhuaweicloud.com

根據(jù)域名地址得到IP地址信息:

Microsoft Windows [版本 10.0.19044.2846]
(c) Microsoft Corporation。保留所有權(quán)利。
?
C:Users11266>ping a3433ab133.iot-mqtts.cn-north-4.myhuaweicloud.com
?
正在 Ping a3433ab133.iot-mqtts.cn-north-4.myhuaweicloud.com [121.36.42.100] 具有 32 字節(jié)的數(shù)據(jù):
來(lái)自 121.36.42.100 的回復(fù): 字節(jié)=32 時(shí)間=37ms TTL=31
來(lái)自 121.36.42.100 的回復(fù): 字節(jié)=32 時(shí)間=37ms TTL=31
來(lái)自 121.36.42.100 的回復(fù): 字節(jié)=32 時(shí)間=36ms TTL=31
來(lái)自 121.36.42.100 的回復(fù): 字節(jié)=32 時(shí)間=37ms TTL=31
?
121.36.42.100 的 Ping 統(tǒng)計(jì)信息:
  數(shù)據(jù)包: 已發(fā)送 = 4，已接收 = 4，丟失 = 0 (0% 丟失)，
往返行程的估計(jì)時(shí)間(以毫秒為單位):
  最短 = 36ms，最長(zhǎng) = 37ms，平均 = 36ms
?
C:Users11266>

MQTT協(xié)議接入端口號(hào)有兩個(gè)，1883是非加密端口，8883是證書(shū)加密端口，單片機(jī)無(wú)法加載證書(shū)，所以使用1883端口比較合適。 接下來(lái)的ESP8266就采用1883端口連接華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

3.3 創(chuàng)建產(chǎn)品

（1）創(chuàng)建產(chǎn)品

點(diǎn)擊右上角創(chuàng)建產(chǎn)品。

（2）填寫(xiě)產(chǎn)品信息

根據(jù)自己產(chǎn)品名字填寫(xiě)，設(shè)備類(lèi)型選擇自定義類(lèi)型。

（3）添加自定義模型

產(chǎn)品創(chuàng)建完成之后，點(diǎn)擊進(jìn)入產(chǎn)品詳情頁(yè)面，翻到最下面可以看到模型定義。

模型簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)： 就是存放設(shè)備上傳到云平臺(tái)的數(shù)據(jù)。比如：環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、環(huán)境煙霧濃度、火焰檢測(cè)狀態(tài)圖等等，這些我們都可以單獨(dú)創(chuàng)建一個(gè)模型保存。

3.4 添加設(shè)備

產(chǎn)品是屬于上層的抽象模型，接下來(lái)在產(chǎn)品模型下添加實(shí)際的設(shè)備。添加的設(shè)備最終需要與真實(shí)的設(shè)備關(guān)聯(lián)在一起，完成數(shù)據(jù)交互。

（1）注冊(cè)設(shè)備

點(diǎn)擊右上角注冊(cè)設(shè)備。

（2）根據(jù)自己的設(shè)備填寫(xiě)

在彈出的對(duì)話(huà)框里填寫(xiě)自己設(shè)備的信息。根據(jù)自己設(shè)備詳細(xì)情況填寫(xiě)。

（3）保存設(shè)備信息

創(chuàng)建完畢之后，點(diǎn)擊保存并關(guān)閉，得到創(chuàng)建的設(shè)備密匙信息。該信息在后續(xù)生成MQTT三元組的時(shí)候需要使用。

3.5 MQTT協(xié)議主題訂閱與發(fā)布

（1）MQTT協(xié)議介紹

當(dāng)前的設(shè)備是采用MQTT協(xié)議與華為云平臺(tái)進(jìn)行通信。

MQTT是一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議，它被設(shè)計(jì)用于輕量級(jí)的發(fā)布/訂閱式消息傳輸，旨在為低帶寬和不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供可靠的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。MQTT是專(zhuān)門(mén)針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)的輕量級(jí)傳輸協(xié)議。MQTT協(xié)議針對(duì)低帶寬網(wǎng)絡(luò)，低計(jì)算能力的設(shè)備，做了特殊的優(yōu)化，使得其能適應(yīng)各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景。目前MQTT擁有各種平臺(tái)和設(shè)備上的客戶(hù)端，已經(jīng)形成了初步的生態(tài)系統(tǒng)。

MQTT是一種消息隊(duì)列協(xié)議，使用發(fā)布/訂閱消息模式，提供一對(duì)多的消息發(fā)布，解除應(yīng)用程序耦合，相對(duì)于其他協(xié)議，開(kāi)發(fā)更簡(jiǎn)單；MQTT協(xié)議是工作在TCP/IP協(xié)議上；由TCP/IP協(xié)議提供穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接；所以，只要具備TCP協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都可以使用MQTT協(xié)議。 本次設(shè)備采用的ESP8266就具備TCP協(xié)議棧，能夠建立TCP連接，所以，配合STM32代碼里封裝的MQTT協(xié)議，就可以與華為云平臺(tái)完成通信。

華為云的MQTT協(xié)議接入幫助文檔在這里: https://support.huaweicloud.com/devg-iothub/iot_02_2200.html

業(yè)務(wù)流程：

（2）華為云平臺(tái)MQTT協(xié)議使用限制

（3）主題訂閱格式

幫助文檔地址：https://support.huaweicloud.com/devg-iothub/iot_02_2200.html

對(duì)于設(shè)備而言，一般會(huì)訂閱平臺(tái)下發(fā)消息給設(shè)備 這個(gè)主題。

設(shè)備想接收平臺(tái)下發(fā)的消息，就需要訂閱平臺(tái)下發(fā)消息給設(shè)備 的主題，訂閱后，平臺(tái)下發(fā)消息給設(shè)備，設(shè)備就會(huì)收到消息。

（4）主題發(fā)布格式

對(duì)于設(shè)備來(lái)說(shuō)，主題發(fā)布表示向云平臺(tái)上傳數(shù)據(jù)，將最新的傳感器數(shù)據(jù)，設(shè)備狀態(tài)上傳到云平臺(tái)。

這個(gè)操作稱(chēng)為：屬性上報(bào)。

幫助文檔地址：https://support.huaweicloud.com/usermanual-iothub/iot_06_v5_3010.html

3.6 MQTT三元組

MQTT協(xié)議登錄需要填用戶(hù)ID，設(shè)備ID，設(shè)備密碼等信息，就像我們平時(shí)登錄QQ，微信一樣要輸入賬號(hào)密碼才能登錄。MQTT協(xié)議登錄的這3個(gè)參數(shù)，一般稱(chēng)為MQTT三元組。

接下來(lái)介紹，華為云平臺(tái)的MQTT三元組參數(shù)如何得到。

（1）MQTT服務(wù)器地址

要登錄MQTT服務(wù)器，首先記得先知道服務(wù)器的地址是多少，端口是多少。

幫助文檔地址：https://console.huaweicloud.com/iotdm/?region=cn-north-4#/dm-portal/home

MQTT協(xié)議的端口支持1883和8883，它們的區(qū)別是：8883 是加密端口更加安全。但是單片機(jī)上使用比較困難，所以當(dāng)前的設(shè)備是采用1883端口進(jìn)連接的。

根據(jù)上面的域名和端口號(hào)，得到下面的IP地址和端口號(hào)信息： 如果設(shè)備支持填寫(xiě)域名可以直接填域名，不支持就直接填寫(xiě)IP地址。 （IP地址就是域名解析得到的）

華為云的MQTT服務(wù)器地址：121.36.42.100
華為云的MQTT端口號(hào)：1883

（2）生成MQTT三元組

華為云提供了一個(gè)在線(xiàn)工具，用來(lái)生成MQTT鑒權(quán)三元組： https://iot-tool.obs-website.cn-north-4.myhuaweicloud.com/

打開(kāi)這個(gè)工具，填入設(shè)備的信息（也就是剛才創(chuàng)建完設(shè)備之后保存的信息），點(diǎn)擊生成，就可以得到MQTT的登錄信息了。

下面是打開(kāi)的頁(yè)面：

3.7 參考案例

華為云平臺(tái)部署開(kāi)發(fā)也可以參考這里：

https://bbs.huaweicloud.com/blogs/381072

【基于華為云IOT平臺(tái)實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)溫度采集(STM32+NBIOT)】

四、讀取煙霧氣體濃度

【1】MQ2傳感器

以下是一個(gè)讀取MQ2傳感器數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換為煙霧濃度的示例代碼，

#include "stm32f10x.h"
#include 
?
int main(void)
{
  // 初始化ADC
  ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);
  ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
  ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;
  ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;
  ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;
  ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
  ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;
  ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);
?
  // 配置ADC通道1的GPIO引腳
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;
  GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
?
  // 啟動(dòng)ADC校準(zhǔn)
  ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);
  ADC_ResetCalibration(ADC1);
  while (ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));
  ADC_StartCalibration(ADC1);
  while (ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));
?
  // 讀取ADC值
  ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_1, 1, ADC_SampleTime_28Cycles5);
  ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);
  while (!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC));
  uint16_t adc_value = ADC_GetConversionValue(ADC1);
?
  // 計(jì)算煙霧濃度
  float voltage = (float)adc_value / 4096.0f * 3.3f;
  float density = (voltage - 0.4f) / 0.4f * 10000.0f;
?
  // 打印出煙霧濃度
  printf("MQ2 Smoke Density: %.2f ppmn", density);
}
?
?
?
?
float adc_average() 
{
  const int num_discarded = 3; // 剔除的最大/最小值數(shù)量
  float samples[20];  // 存儲(chǔ)采樣結(jié)果的數(shù)組
  
  // 采集數(shù)據(jù)
  for (int i = 0; i < num_samples; i++) {
? ? ? ? ?samples[i] = ADC_GET();
? ?  }
? ? ?
? ? ?// 對(duì)采樣結(jié)果進(jìn)行排序（升序）
? ? ?for (int i = 0; i < num_samples - 1; i++) {
? ? ? ? ?for (int j = i + 1; j < num_samples; j++) {
? ? ? ? ? ? ?if (samples[i] > samples[j]) {
        float temp = samples[i];
        samples[i] = samples[j];
        samples[j] = temp;
       }
     }
   }
  
  // 計(jì)算剩下的平均值
  float sum = 0;
  for (int i = num_discarded; i < num_samples - num_discarded; i++) {
? ? ? ? ?sum += samples[i];
? ?  }
? ? ?return sum / (num_samples - 2 * num_discarded); ?// 返回計(jì)算結(jié)果
?}

【2】MQ4傳感器

以下是基于HAL庫(kù)的STM32F103ZET6讀取MQ4煙霧傳感器的代碼：

#include "gpio.h"
?
/* MQ4傳感器的引腳定義 */
#define MQ4_PORT     GPIOA
#define MQ4_PIN     GPIO_PIN_0
?
/* MQ4傳感器的校準(zhǔn)電壓 */
#define MQ4_RL_VALUE   10    // RL值為10kΩ
#define MQ4_CALCULATE_RO_CLEAN(adcValue)   ((float)(RL_VALUE*(4096-adcValue)/adcValue))
?
/* 獲取MQ4傳感器的數(shù)據(jù) */
float get_mq4_value()
{
   uint32_t adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
   float ro = MQ4_CALCULATE_RO_CLEAN(adc_value);
   float sensor_volt = HAL_ADC_GetValue(&hadc2) * (3.3 /4096.0);
   float sensor_rsr = (3.3 - sensor_volt) / sensor_volt * ro;
   float mq4_ppm = pow(10, ((log10(sensor_rsr / 2.5) - 0.3420) / (-0.6162)));
   return mq4_ppm;
}
?
/* 主函數(shù) */
int main()
{
   HAL_Init();
   MX_GPIO_Init();
   MX_ADC1_Init();
   MX_ADC2_Init();
 
   /* 讀取MQ4傳感器數(shù)據(jù) */
   float mq4_value = get_mq4_value();
?
   printf("MQ4傳感器值：%.2f PPMrn", mq4_value);
?
   while (1);
}

在該示例代碼中，我們用到了ADC1和ADC2來(lái)分別讀取MQ4傳感器的數(shù)據(jù)引腳和校準(zhǔn)電壓。函數(shù)get_mq4_value()中使用了MQ4傳感器的電路計(jì)算公式，將讀取的傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的PPM值。

五、總結(jié)

當(dāng)前文章介紹基于STM32微控制器、BC26 NBIOT模組和華為云IOT平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了一款智能井蓋系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)多種傳感器實(shí)現(xiàn)了井蓋狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)上傳，在應(yīng)用上具有重要的應(yīng)用場(chǎng)景和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。整體介紹了系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)相關(guān)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供了一定的參考價(jià)值和設(shè)計(jì)思路。

審核編輯：湯梓紅