劉嘯松

（長安大學(xué)信息工程學(xué)院，西安710010）

1 問題現(xiàn)狀

短距離通信技術(shù)中，無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的傳輸誤碼率高，可靠性差；ZigBee 以低功耗、自組網(wǎng)的特點而受到物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)注，但是專用協(xié)議無線網(wǎng)絡(luò)，傳輸速率低，開發(fā)難；WiFi 是以太網(wǎng)的一種無線擴(kuò)展技術(shù)，用戶可以共享寬帶，但是其傳輸速率低，在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的WIGIG 技術(shù)，傳輸速率可以達(dá)到1Gbps 以上，但是不能穿過墻壁，且功耗高；藍(lán)牙技術(shù)已進(jìn)入低功耗時代，能在包括移動電話、PDA、無線耳機(jī)、筆記本電腦、相關(guān)外設(shè)等眾多設(shè)備之間進(jìn)行無線信息交換。但是這些短距離技術(shù)覆蓋范圍有限，對于大范圍或移動性布局的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備無能為力[1]。

2 解決方案

2.1 GPRS

GPRS 允許用戶在端到端分組模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡(luò)資源，從而提供了一種高效、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，和GSM 通信網(wǎng)絡(luò)相比，技術(shù)特點如下：①資源利用率高；②傳輸速率高（64～128Kbps）；③接入時間短；④支持IP 協(xié)議和X.25 協(xié)議；⑤低成本，以通信的數(shù)據(jù)量為主要依據(jù)進(jìn)行計費(fèi)。

2.2 WiFi

WiFi 最主要的優(yōu)勢在于不需要布線，可以不受布線條件的限制，發(fā)射信號功率低于100mw，低于手機(jī)發(fā)射功率。WiFi具有如下技術(shù)特點：更寬的帶寬、更強(qiáng)的射頻信號、更低的功耗、改進(jìn)的安全性。

3 設(shè)計任務(wù)

從覆蓋范圍、傳輸速率、基本業(yè)務(wù)類別、可移動速率、前向擴(kuò)展、演進(jìn)走向等多方面綜合分析，本設(shè)計提出一種基于WiFi和GPRS 的DHT11 溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，具有傳輸誤碼率低、成本低及覆蓋范圍廣等優(yōu)點，并且可與監(jiān)測人員的手機(jī)綁定，實現(xiàn)隨時、隨地地移動監(jiān)測。設(shè)計主要內(nèi)容包括：①利用嵌入式開發(fā)技術(shù)、TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等，設(shè)計出了基于OneNET 的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)以O(shè)neNET 為協(xié)調(diào)中心，實現(xiàn)了環(huán)境變量檢測數(shù)據(jù)上傳，與控制命令下達(dá)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。②設(shè)計開發(fā)了以HTTP 協(xié)議為接入方式、以WiFi 連接和GPRS 網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)傳輸渠道的智能終端，外接溫濕度傳感器，使終端具有感知能力。③增加了電源對系統(tǒng)進(jìn)行供電。

4 系統(tǒng)總體方案分析與設(shè)計

4.1 系統(tǒng)需求分析

溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)是在物聯(lián)網(wǎng)下，可以通過PC、手機(jī)等移動設(shè)備端實時監(jiān)測溫濕度值，能夠?qū)崟r采集溫度和濕度，溫度的監(jiān)測范圍為-20～+80℃，測量精度為±0.5℃，濕度的監(jiān)測范圍為0%RH～100%RH，測量精度為±3%RH。系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用需求有系統(tǒng)低成本要求、系統(tǒng)低功耗要求、系統(tǒng)穩(wěn)定性要求和系統(tǒng)實時性要求。

4.2 系統(tǒng)總體實現(xiàn)方案

系統(tǒng)的整體設(shè)計流程包括：①各種通信方案的比較、方案確定及傳感器選型；②系統(tǒng)硬件數(shù)據(jù)處理電路、低功耗方案確定、系統(tǒng)程序功能實現(xiàn)；③OneNet 物聯(lián)網(wǎng)云平臺、API 接口開發(fā)。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和發(fā)送使用的編程工具是C 語言和Keil 編輯器。在使用電腦或手機(jī)在服務(wù)端查看遠(yuǎn)程監(jiān)測的溫濕度系統(tǒng)時，嵌入式軟件必須與上文中的硬件系統(tǒng)緊密結(jié)合，從而實現(xiàn)溫濕度的實時監(jiān)測。

5.1 系統(tǒng)功能實現(xiàn)流程

本系統(tǒng)設(shè)計采用接受OneNET 云服務(wù)平臺指令，與定時器定時發(fā)送兩種方式來發(fā)送溫濕度數(shù)據(jù)。判斷是否連接上WiFi，當(dāng)未搜索到默認(rèn)WiFi 時，可以由用戶連接ESP-01S 的AP，通過訪問192.168.4.1 對ESP-01S 進(jìn)行配置。若當(dāng)前無法使用WiFi，則轉(zhuǎn)到STM32 作為控制器的GPRS 通信模式。進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括所有外設(shè)的復(fù)位，定時器的初始化，配置系統(tǒng)時鐘，輸入輸出口的初始化，設(shè)置當(dāng)前時間。然后通過“AT”指令與服務(wù)端口嘗試握手連接，保證指令能夠發(fā)送成功。判斷定時時間到或者收到發(fā)送指令時，獲取傳感器數(shù)據(jù)并發(fā)送給服務(wù)器，判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送成功，若發(fā)送成功，獲取當(dāng)前時間并重新判斷。否則，重新獲取傳感器數(shù)據(jù)并發(fā)送到服務(wù)器。

5.2 DHT11 數(shù)據(jù)處理

DHT11 是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。DATA 用于微處理器與DHT11 之間的通訊與同步，單總線數(shù)據(jù)格式，單詞通訊時間為4ms 左右，數(shù)據(jù)分小數(shù)和整數(shù)部分。

5.3 GA6 模塊

數(shù)據(jù)的GPRS 通信主要是對GA6 模塊進(jìn)行控制，主要包括握手程序、發(fā)送數(shù)據(jù)程序、數(shù)據(jù)監(jiān)測服務(wù)程序等。

①握手連接。在與GA6 模塊進(jìn)行通信前需要先握手來判斷STM32 與GA6 模塊是否建立連接，以保證信息能夠傳輸成功。發(fā)送AT 指令，如果返回值為OK 則證明握手成功，否則程序無法往下進(jìn)行而是繼續(xù)進(jìn)行握手，直到成功為止。②AT 發(fā)送數(shù)據(jù)。通過STM32 的串口輸出AT 指令來控制GA6 模塊的相應(yīng)動作，將模塊設(shè)置為透傳模式，這樣經(jīng)過STM32 串口發(fā)送的數(shù)據(jù)在模塊連接TCP 成功之后可發(fā)送至模塊的串口上，模塊通過GPRS 自動將這些數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)端，有利于控制軟件流程[2]。

5.4 ESP-01S 模塊

程序的WiFi 通信主要是對ESP-01S 進(jìn)行控制，主要包括配置WiFi、構(gòu)建AP、處理和上傳數(shù)據(jù)三部分。

①配置WiFi。ESP-01S 采用了事件響應(yīng)的方式。ESP-01S可以設(shè)置自動連接，這里只需要調(diào)用固件庫中的函數(shù)就可以實現(xiàn)掉線重連，當(dāng)配置的WiFi 有效時，ESP-01S 便能自動連入。可以結(jié)合監(jiān)聽器用LED 顯示連接狀態(tài)。②構(gòu)建AP。ESP-01S 在自身開放的AP 局域網(wǎng)中的默認(rèn)IP 地址是192.168.4.1。給HttpServer 添加中間件，當(dāng)訪問'/scanap'時，使用wifi.sta.getap()獲取AP 列表再轉(zhuǎn)換到JSON 格式返回。前端使用了輕量的Zepto.js 來搭建前端頁面，通過AJAX 來請求數(shù)據(jù)。③處理和上傳數(shù)據(jù)。溫濕度傳感器DHT11，通過對IO 管腳的讀寫，讀取傳感器數(shù)據(jù)，并通過WIFIAPI 將數(shù)據(jù)上傳到ONENET 平臺。在init.lua 腳本里面周期性通過dofile()函數(shù)來調(diào)用dht11.lua 函數(shù)來讀取數(shù)據(jù)。將讀取到的數(shù)據(jù)按照OneNET 平臺HTTP API 接口的要求打包成數(shù)據(jù)包，并通過WiFi 上傳到云平臺。

6 結(jié)語

①關(guān)于WiFi 模塊與DHT11 模塊的測試。先通過手機(jī)或者電腦連接ESP-01S（微控制器）的AP，通關(guān)訪問192.168.4.1 來對ESP-01S 所要連接的WiFi 進(jìn)行配置。訪問前端Web 頁面進(jìn)行WiFi 的連接?？梢允謩虞斎朊艽a，也可以掃描熱點然后進(jìn)行選擇。連接上WiFi 后，ESP-01S 會自動獲取并處理DHT11 傳輸過來的數(shù)據(jù)，然后向OneNET 云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，在手機(jī)端和網(wǎng)頁端進(jìn)行結(jié)果查看，預(yù)測結(jié)果為當(dāng)前環(huán)境中的溫度與濕度。由數(shù)據(jù)可以看出，傳送的數(shù)據(jù)與環(huán)境中的數(shù)據(jù)大致相等，結(jié)果無誤。②關(guān)于GPRS 模塊與USB 轉(zhuǎn)TTL 模塊的測試。GPRS模塊通過流量傳送數(shù)據(jù)，模擬DHT11 測試的數(shù)據(jù)，傳送給GPRS 模塊，通過AT 指令發(fā)送至OneNET 平臺。在手機(jī)與網(wǎng)頁端進(jìn)行結(jié)果查看與預(yù)測結(jié)果接近。③關(guān)于STM32 模塊、GPRS模塊與DHT11 模塊的測試。先進(jìn)行通信測試，電腦與STM32 之間的通信成功，STM32 能正確地將數(shù)據(jù)傳送給GPRS 模塊，并發(fā)送到云端。但GPRS 的數(shù)據(jù)回傳到STM32 的數(shù)據(jù)稍有問題，不能很好地展示當(dāng)前的狀態(tài)和執(zhí)行的指令?？梢詮拇谥写蛴〉臄?shù)據(jù)看到，GPRS 可將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺，不過會傳到STM32 的數(shù)據(jù)只能顯示指令，不能顯示指令的處理結(jié)果。