孫玉霞，王軍敏

（平頂山學(xué)院信息工程學(xué)院，河南平頂山，467000）

0 引言

對室內(nèi)環(huán)境的實時監(jiān)測對提高家居的安全性和舒適性具有重要意義，但現(xiàn)有的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)存在一些不足，例如監(jiān)測數(shù)據(jù)不全面，不能及時有效地進行數(shù)據(jù)推送，組網(wǎng)形式復(fù)雜等[1,2]。為了解決上述問題，本文設(shè)計一種監(jiān)測數(shù)據(jù)全面、檢測精度高、傳輸穩(wěn)定的無線室內(nèi)環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于MQTT通信協(xié)議的無線室內(nèi)環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)主要包含硬件和軟件兩部分。一方面控制硬件利用傳感器采集信息到TFT屏幕監(jiān)測并且將采集到的信息推送到MQTT服務(wù)器，當有害氣體超過閾值則發(fā)出警報；另一方面用戶先注冊再登錄系統(tǒng)，小程序端便會訂閱硬件主題下推送的消息，從而渲染到頁面上進行實時更新，達到遠程實時查看的功能。

在該系統(tǒng)中主要實現(xiàn)光照度監(jiān)測、溫濕度監(jiān)測、煙霧濃度監(jiān)測和一氧化碳濃度監(jiān)測。無線室內(nèi)環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)的STM32主控單元負責(zé)接收數(shù)據(jù)，當讀取到一氧化碳濃度超過閾值時，蜂鳴器會發(fā)出警報提醒用戶及時開窗通風(fēng)，當讀取到室內(nèi)溫濕度時，提醒用戶通過空氣加濕器等一些家用電器來及時調(diào)整室內(nèi)溫濕度。此外，主控將數(shù)據(jù)讀取后，可以通過ESP-12F WiFi模塊利用MQTT協(xié)議[3]上傳到MQTT服務(wù)器，在此過程中ESP-12F WiFi模塊聯(lián)網(wǎng)，通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備獲取ID并接入Broker之后，往/iot/445/xyz推送消息，微信小程序再去訂閱這個消息便可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示，微信小程序控制燈的開關(guān)是通過推送關(guān)燈指令給MQTT服務(wù)器，ESP-12F模塊訂閱到開關(guān)燈指令實現(xiàn)燈的開關(guān)。

圖1展示了該系統(tǒng)的原理圖，設(shè)備側(cè)通過最小核心采集傳感器信息，ESP-12F模塊把數(shù)據(jù)通過路由器推送到MQTT服務(wù)器，用戶側(cè)通過調(diào)用合適的API發(fā)起請求，并訂閱MQTT推送過來的消息，微信小程序也可以發(fā)送AT指令反向控制設(shè)備側(cè)燈的開關(guān)來調(diào)節(jié)光照度。

圖1 基于MQTT通信協(xié)議的無線室內(nèi)環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)原理圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 溫濕度檢測電路設(shè)計

本系統(tǒng)采用DHT11溫濕度傳感器對室內(nèi)溫濕度進行檢測，其溫度測量范圍為0到50度，濕度測量范圍為20%到95%，工作電壓為3.3V到5V。圖2為DHT11溫濕度檢測模塊電路圖。

圖2 DHT11溫濕度檢測模塊電路圖

2.2 煙霧和一氧化碳濃度檢測電路設(shè)計

采用MQ-2煙霧傳感器檢測室內(nèi)煙霧濃度，采用MQ-7氣體傳感器檢測一氧化碳濃度。圖3為空氣檢測模塊的電路圖，采用模擬量對煙霧和一氧化碳濃度進行監(jiān)測，VCC接5V電源，GND接地。

圖3 煙霧和一氧化碳濃度檢測模塊電路圖

2.3 ESP-12F WiFi電路設(shè)計

ESP-12F模塊支持標準的IEEE8 02.11 b/g/n協(xié)議，完整的TCP/IP協(xié)議棧，方便用戶使用此模塊為設(shè)備添加聯(lián)網(wǎng)功能。ESP8266共包含22個引腳，其中GPIO6-11被用于連接開發(fā)板的閃存，因此不適合用戶自定義使用，可以使用其他的GPIO來對PWM進行接口控制。ESP8266負責(zé)無線上網(wǎng)接入承擔(dān)WiFi適配器的任務(wù)時，可以將其添加到基于微控制器的設(shè)計中，連接簡單易行。圖4為ESP-12F WIFI模塊電路圖，只需通過SPI/SDIO接口或I2C/UART口、ESP-12F的RX引腳連接STM32VET6的PB10引腳、TX接PA11引腳、RST接PB9引腳即可。

圖4 ESP-12F WiFi模塊電路圖

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 采集端軟件系統(tǒng)設(shè)計

當無線室內(nèi)環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)程序開啟時，首先進行程序端的初始化，然后各硬件元件根據(jù)程序預(yù)設(shè)的狀態(tài)進行硬件元件的初始化，硬件初始化會有略微的時延。硬件初始化結(jié)束后將WiFi模塊配置為STA模式，通過對ESP-12F進行設(shè)置，COM的數(shù)據(jù)與WiFi的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)換。若配置未完成則繼續(xù)配置，配置完成后連接到MQTT服務(wù)器，采集端通過MQTT主題發(fā)布消息到服務(wù)器，微信小程序通過訂閱此主題便可接收到消息，最后通過小程序的API渲染到頁面上。圖5為采集端主程序的工作流程圖。

圖5 采集端主程序的工作流程圖

3.2 客戶端軟件系統(tǒng)設(shè)計

無線室內(nèi)實時監(jiān)測系統(tǒng)的移動終端是開發(fā)的一款用完即走的微信小程序[4]，通過平臺中提供的組件對移動終端的功能與界面進行設(shè)計，首先選擇布局方案，主頁包含頭部、主體內(nèi)容、Echarts圖表、導(dǎo)航欄四個模塊，采用wxml語言進行模塊化布局，wxss語言進行樣式美化。主體內(nèi)容展示實時檢測到的數(shù)據(jù)，為了到達響應(yīng)式效果，本系統(tǒng)采用flex伸縮布局，通過設(shè)置主軸的方向和子元素的排列方式來實現(xiàn)。Echarts圖表部分結(jié)合數(shù)據(jù)可視化知識，引入了Echarts柱狀圖，利用控制臺訂閱到的數(shù)據(jù)對Echarts中data數(shù)組的賦值便可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時變化。

本系統(tǒng)的移動終端可以在主界面對室內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)、煙霧濃度數(shù)據(jù)、一氧化碳濃度數(shù)據(jù)和光照強度數(shù)據(jù)進行實時顯示，同時可以通過ECharts圖表明顯地展示數(shù)據(jù)的實時變化情況，如圖6所示。

圖6 移動終端主界面

4 結(jié)論

本文采用STM32單片機、多種傳感器和WiFi模塊設(shè)計了一個無線室內(nèi)環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32單片機為控制核心，使用DHT11、MQ-7等多種類型的傳感器采集室內(nèi)的多種環(huán)境數(shù)據(jù)，并利用無線WiFi模塊通過MQTT通信協(xié)議將數(shù)據(jù)傳送至微信小程序，用戶可通過微信小程序遠程實時查看室內(nèi)的環(huán)境狀況，具有重要的應(yīng)用價值。