基于WiFi智能小车的远程温湿度测量系统

2021-12-14刘静琦阮煜婕周振虎刘静波

物联网技术 2021年12期

刘静琦，阮煜婕，吴胜，时飞，周振虎，刘静波

（南京工程学院，江苏南京 211167）

0 引言

温湿度是仓储场所的重要环境参数，对温湿度的测量一般选用传感器进行单点静态测量[1]，或在某一个区域内布置多个节点，采用无线网络方式实现多点温湿度测量[2]，也有采用一组总线下挂载多个传感器进行测量的方式[3]。这些方法运行成本高，测量点布置工作量大，有线测量方式后期维护改造困难，无线组网多点方式则需要配置若干个无线组网模块与处理器单元，特别是测量点数较多时，造价较高。因此，本系统采用WiFi智能小车作为载具，搭载温湿度传感器，远程控制小车运行，可实时测量数据，并将数据远程传输至OneNET云平台。系统具备远程与超声波避障两种运行模式，可实现对仓储场所动态多点循环测量，把传统静态测量转变为一定范围内的多点动态测量。系统选用OneNET物联网云平台，使小车具备远程控制与数据测量传输功能[4]，拓宽其应用范围。

1 系统总体设计

系统由智能小车部分及OneNET物联网云平台控制和数据传输部分组成。

智能小车部分采用STM32F103RCT6作为主控，借助温湿度传感器HDC1080测量温湿度数据。小车组件包括底盘、电机和车轮等。电机驱动采用L298N模块，超声波模块安装于舵机控制单元，实现左、中、右三个方向的避障距离测量。智能小车与云平台之间通过ESP8266模块实现远程控制与数据传输。

OneNET是较成熟的物联网云平台，本系统采用OneNET云平台提供的网页应用控件、命令下发控件等实现了数据接收和远程指令下发等应用。通过网页端和手机APP端的同步应用，可快速方便地构建远程、移动多点智能小车温湿度测量系统。系统运行时，智能小车在远程指令的控制下，实现前进、后退、转弯，同时还会测量温湿度数据，并以间隔5 s的时间传输至云平台，网页和手机APP接收数据。小车动态运行，对仓储场所实现多点测量。通过发送指令，可以将小车切换为超声波避障模式，还可优化避障程序，使小车具有更好的适应性。图1所示为系统结构。

图1 系统结构

2 硬件设计

2.1 OneNET云平台

OneNET是中国移动推出的物联网开放平台，该平台屏蔽了复杂的技术细节，提供多种协议类型，支持多种智能硬件的接入和大数据服务。用户按照OneNET云平台的规范接入平台，上传数据，实现数据传输与存储管理功能，同时平台还支持MQTT、EDP、HTTP等接入协议[5]。用户在官网注册账号后即可进入云平台创建项目。数据上传完成后，用户可以在网页和手机APP端查看数据和对应的变化曲线，也可以下发控制指令，控制智能设备的运行。系统硬件接口电路如图2所示。

图2 系统硬件接口电路

2.2 硬件设计

针对智能小车的分层结构，硬件设计采取模块化设计方法。智能小车系统硬件分为微控制器主控单元、四驱电机驱动模块、舵机模块、超声波单元模块、温湿度测量模块和WiFi模块。图2表示了各单元与主控单元的连接，根据不同模块的应用特点，合理分配主控单元的外设资源，实现对智能小车的硬件资源配置。

智能小车微控制器采用STM32F103RCT6，这是基于Cortex-M3架构的高性能处理器[6]，主频达72 MHz，具备48 KB SRAM，256 KB FLASH，2个基本定时器，4个通用定时器，2个高级定时器，5个串口及51个通用I/O口，同时还具有ADC、SPI、DMA控制器等资源，满足了智能小车的应用需求。高级定时器TIME8有4个通道（CH1～CH4）的PWM波形输出，非常适用于智能小车的四轮驱动速度控制。此外，STM32F103RCT6其他定时器也为舵机驱动和超声波信号的产生奠定了基础。

ESP8266是一款高集成度的WiFi模块，其本身是一个32位的MCU单元，可以独立访问网络，也可以搭配其他主控芯片，帮助主控芯片接入互联网[7]。ESP8266提供串口与主控芯片进行数据交换。ESP8266允许配置为热点（AP）、客户端（STA），热点+客户端（AP+STA）等三种模式，本系统把ESP8266配置为STA模式，连接主控芯片的串口2。该模块通过路由器接入网络，实现远程控制与数据传输。

小车车轮电机驱动采用L298N模块，内含两组双H桥驱动器，每个L298N模块可以驱动两组电机，电机驱动的输入信号由使能端EN，输入端IN1和IN2组成。EN端一般接入主控输出的PWM波形，控制电机的转速，IN1和IN2接主控的2个I/O口，控制电机的正反转。因此，选择TIME8高级定时器的CH1～CH4通道配置4个PWM波形，PC6～PC9分别接入L298N四组EN端，电机正反转信号接到主控芯片的I/O端口，如图2表示。舵机接入PA8，这是TIME1的CH1通道输出接口，输出PWM波形控制舵机的运行。

HDC1080温湿度传感器具有高精度、低功耗等特点，可同时进行温度与湿度测量，温度精度为±0.2℃，湿度精度为±2%，采用I2C总线方式与主控芯片连接，SDA和SCL分别接主控芯片的PB11和PB10，其设备地址为0x80（写）和0x81（读）。

3 软件设计

3.1 数据流

智能小车与OneNET间通过MQTT协议传输数据，该协议支持数据双向传输，实时性高，具有长时间稳定连接等优点[8]，是为物联网场景而设计的基于TCP的一种轻量级发布／订阅消息传输协议。可用于计算能力有限，低带宽且不可靠的网络远程传感器和控制设备[9]。设备登录OneNET平台后，选择在此协议下创建“智能小车”产品，添加设备后，对智能小车的数据流进行规划。数据流是设备属性，可为设备单项数据属性，也可为设备属性的组合。本系统数据流根据数据传输方向分为两类：

（1）上行数据流，即智能小车测量的数据，主要包括连接于主控芯片I2C接口上的温湿度传感器HDC1080测得的温度和湿度数据。

（2）下行数据流，即网页和手机APP端发出的控制指令，通过OneNET云平台发送给智能小车，控制小车的运行。包括前进、后退、左转、右转、停止，以及运行模式的改变。这些数据流封装为完整的数据包，通过ESP8266发送至OneNET云平台。OneNET为数据流的封装提供了多种形式，本系统采用数据类型3（TYPE=3，JSON格式）模式。

3.2 主程序设计

程序首先对智能小车系统各模块初始化，包括串口初始化、温湿度传感器I2C接口初始化、电机和舵机端口初始化、电机和舵机PWM波初始化。之后，经串口2发送AT指令给ESP8266模块，设置ESP8266为STA模式，连接WiFi后，等待接收OneNET云平台的回应信号，确认连接OneNET服务器。程序按照MQTT协议TYPE3格式对数据流数据进行封装，每5 s便将测量的温湿度数据传输至云平台，同时对接收的云平台控制指令进行解析并执行，控制小车运行。当接收到小车运行模式改变为超声波避障模式的指令后，智能小车执行避障程序。系统主流程如图3所示，数据解析流程如图4所示，超声波避障流程如图5所示。

图3 系统主流程

图4 接收数据解析流程

图5 超声波避障流程

3.3 HDC1080测量程序

HDC1080的测量数据程序按照I2C协议编写。测量函数为u8 Measure_Hdc1080（u8 mode，u16 *temp_value，u16 *humi_value），在调用此函数时，mode为模式参数，mode=0x00时表示转换开始。

完整测量温湿度的过程：启动总线、发送设备写地址0x80、检测器件应答是否正常、发送触发测量命令字（mode）、检测器件应答是否正常、重新启动总线、发送设备读地址0x81、检测器件应答正否正常、读高8位温度字节、主机应答、读低8位温度字节、主机应答、读高8位湿度字节、主机应答、读低8位湿度字节、主机非应答、结束总线，最后把读取的字节组合为完整的温度*temp_value和湿度*humi_value。温湿度字节数据读取后，可以得到实际温湿度数值，具体代码和注释（wendu和shidu是全局变量，用于存放读取的温湿度数据）如下所示：

3.4 可视化用户应用界面设计

OneNET平台为用户提供了数据可视化应用，用户可通过OneNET提供的可视化工具[10]，根据自身需求设计用户操作界面。OneNET创建的产品含有应用管理编辑功能，用户可将仪表盘、折线图、开关、命令框等控件拖拽至页面，对每个控件的属性和样式进行编辑，特别是对属性中的数据流刷新频率、数值设置等进行配置。控件与数据流建立关联，待产品创建完成后保存并发布，用户就可在网页和手机APP端访问OneNET平台，接收数据并发送控制指令。本系统创建的可视化应用网页端界面和手机APP端界面分别如图6和图7所示。

图6 网页端可视化界面

图7 手机APP端可视化界面

4 实际测试

智能小车的软硬件系统经过调试，搭建完成后，打开OneNET网页端和手机APP端进行联合运行，小车通过WiFi连接，登录OneNET云平台即可看到设备由离线状态转为在线状态。此时，小车将测量的温湿度数据上传到网页端和手机APP端。

智能小车的模式选择由“模式选择”开关控制，每按一次开关，智能小车切换一次运行模式。系统开机后，默认为远程控制模式。当切换到超声波避障模式时，小车在舵机的控制下，分别测量左、中、右三个方向是否有障碍物，并测量相应的距离，按照最优程序方法选择避开障碍。测试结果表明，传感器采集数据准确，网页和手机APP控制端运行稳定，数据接收和指令下发功能正常。可视化界面可由使用者自行编辑、设计、发布，内容简洁，显示效果良好。