基于云平台的物联网温湿度监控系统

刘啸松

（长安大学信息工程学院，西安710010）

1 问题现状

短距离通信技术中，无线数据传输模块的传输误码率高，可靠性差；ZigBee 以低功耗、自组网的特点而受到物联网的关注，但是专用协议无线网络，传输速率低，开发难；WiFi 是以太网的一种无线扩展技术，用户可以共享宽带，但是其传输速率低，在此基础上发展起来的WIGIG 技术，传输速率可以达到1Gbps 以上，但是不能穿过墙壁，且功耗高；蓝牙技术已进入低功耗时代，能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。但是这些短距离技术覆盖范围有限，对于大范围或移动性布局的物联网设备无能为力[1]。

2 解决方案

2.1 GPRS

GPRS 允许用户在端到端分组模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源，从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务，和GSM 通信网络相比，技术特点如下：①资源利用率高；②传输速率高（64～128Kbps）；③接入时间短；④支持IP 协议和X.25 协议；⑤低成本，以通信的数据量为主要依据进行计费。

2.2 WiFi

WiFi 最主要的优势在于不需要布线，可以不受布线条件的限制，发射信号功率低于100mw，低于手机发射功率。WiFi具有如下技术特点：更宽的带宽、更强的射频信号、更低的功耗、改进的安全性。

3 设计任务

从覆盖范围、传输速率、基本业务类别、可移动速率、前向扩展、演进走向等多方面综合分析，本设计提出一种基于WiFi和GPRS 的DHT11 温湿度远程监测系统，具有传输误码率低、成本低及覆盖范围广等优点，并且可与监测人员的手机绑定，实现随时、随地地移动监测。设计主要内容包括：①利用嵌入式开发技术、TCP/IP 网络协议等，设计出了基于OneNET 的环境监控系统，该系统以OneNET 为协调中心，实现了环境变量检测数据上传，与控制命令下达的闭环控制系统。②设计开发了以HTTP 协议为接入方式、以WiFi 连接和GPRS 网络作为数据传输渠道的智能终端，外接温湿度传感器，使终端具有感知能力。③增加了电源对系统进行供电。

4 系统总体方案分析与设计

4.1 系统需求分析

温湿度远程监测系统是在物联网下，可以通过PC、手机等移动设备端实时监测温湿度值，能够实时采集温度和湿度，温度的监测范围为-20～+80℃，测量精度为±0.5℃，湿度的监测范围为0%RH～100%RH，测量精度为±3%RH。系统的设计应用需求有系统低成本要求、系统低功耗要求、系统稳定性要求和系统实时性要求。

4.2 系统总体实现方案

系统的整体设计流程包括：①各种通信方案的比较、方案确定及传感器选型；②系统硬件数据处理电路、低功耗方案确定、系统程序功能实现；③OneNet 物联网云平台、API 接口开发。

5 系统软件设计

本系统的数据采集和发送使用的编程工具是C 语言和Keil 编辑器。在使用电脑或手机在服务端查看远程监测的温湿度系统时，嵌入式软件必须与上文中的硬件系统紧密结合，从而实现温湿度的实时监测。

5.1 系统功能实现流程

本系统设计采用接受OneNET 云服务平台指令，与定时器定时发送两种方式来发送温湿度数据。判断是否连接上WiFi，当未搜索到默认WiFi 时，可以由用户连接ESP-01S 的AP，通过访问192.168.4.1 对ESP-01S 进行配置。若当前无法使用WiFi，则转到STM32 作为控制器的GPRS 通信模式。进行系统初始化，包括所有外设的复位，定时器的初始化，配置系统时钟，输入输出口的初始化，设置当前时间。然后通过“AT”指令与服务端口尝试握手连接，保证指令能够发送成功。判断定时时间到或者收到发送指令时，获取传感器数据并发送给服务器，判断数据是否发送成功，若发送成功，获取当前时间并重新判断。否则，重新获取传感器数据并发送到服务器。

5.2 DHT11 数据处理

DHT11 是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。DATA 用于微处理器与DHT11 之间的通讯与同步，单总线数据格式，单词通讯时间为4ms 左右，数据分小数和整数部分。

5.3 GA6 模块

数据的GPRS 通信主要是对GA6 模块进行控制，主要包括握手程序、发送数据程序、数据监测服务程序等。

①握手连接。在与GA6 模块进行通信前需要先握手来判断STM32 与GA6 模块是否建立连接，以保证信息能够传输成功。发送AT 指令，如果返回值为OK 则证明握手成功，否则程序无法往下进行而是继续进行握手，直到成功为止。②AT 发送数据。通过STM32 的串口输出AT 指令来控制GA6 模块的相应动作，将模块设置为透传模式，这样经过STM32 串口发送的数据在模块连接TCP 成功之后可发送至模块的串口上，模块通过GPRS 自动将这些数据发送至服务端，有利于控制软件流程[2]。

5.4 ESP-01S 模块

程序的WiFi 通信主要是对ESP-01S 进行控制，主要包括配置WiFi、构建AP、处理和上传数据三部分。

①配置WiFi。ESP-01S 采用了事件响应的方式。ESP-01S可以设置自动连接，这里只需要调用固件库中的函数就可以实现掉线重连，当配置的WiFi 有效时，ESP-01S 便能自动连入。可以结合监听器用LED 显示连接状态。②构建AP。ESP-01S 在自身开放的AP 局域网中的默认IP 地址是192.168.4.1。给HttpServer 添加中间件，当访问'/scanap'时，使用wifi.sta.getap()获取AP 列表再转换到JSON 格式返回。前端使用了轻量的Zepto.js 来搭建前端页面，通过AJAX 来请求数据。③处理和上传数据。温湿度传感器DHT11，通过对IO 管脚的读写，读取传感器数据，并通过WIFIAPI 将数据上传到ONENET 平台。在init.lua 脚本里面周期性通过dofile()函数来调用dht11.lua 函数来读取数据。将读取到的数据按照OneNET 平台HTTP API 接口的要求打包成数据包，并通过WiFi 上传到云平台。

6 结语

①关于WiFi 模块与DHT11 模块的测试。先通过手机或者电脑连接ESP-01S（微控制器）的AP，通关访问192.168.4.1 来对ESP-01S 所要连接的WiFi 进行配置。访问前端Web 页面进行WiFi 的连接。可以手动输入密码，也可以扫描热点然后进行选择。连接上WiFi 后，ESP-01S 会自动获取并处理DHT11 传输过来的数据，然后向OneNET 云平台进行数据传送，在手机端和网页端进行结果查看，预测结果为当前环境中的温度与湿度。由数据可以看出，传送的数据与环境中的数据大致相等，结果无误。②关于GPRS 模块与USB 转TTL 模块的测试。GPRS模块通过流量传送数据，模拟DHT11 测试的数据，传送给GPRS 模块，通过AT 指令发送至OneNET 平台。在手机与网页端进行结果查看与预测结果接近。③关于STM32 模块、GPRS模块与DHT11 模块的测试。先进行通信测试，电脑与STM32 之间的通信成功，STM32 能正确地将数据传送给GPRS 模块，并发送到云端。但GPRS 的数据回传到STM32 的数据稍有问题，不能很好地展示当前的状态和执行的指令。可以从串口中打印的数据看到，GPRS 可将接收到的数据发送到云平台，不过会传到STM32 的数据只能显示指令，不能显示指令的处理结果。