基于STM32和阿里云的空气质量监测系统

2022-04-12李红卫

电子制作 2022年7期

李红卫

（山东鲁碧建材有限公司，山东济南，271103）

0 引言

阿里云物联网平台是具有设备接入与管理、监控运维、存储与流转数据、订阅发布消息等功能的一体化平台。支持多个物联网设备连接，采集设备数据存储到云服务器；服务端按照协议发送指令到设备，实现远程控制。

本文通过移植MQTT协议到STM32F103单片机，通过串口控制ESP8266无线模块将空气中温湿度和有害气体浓度传送到阿里云，并利用loT Studio物联网开发服务设计电脑端WEB应用和手机APP。同时云端可以通过STM32控制现场照明设备，实现了对现场空气质量的监测和远程控制。

1 系统总体设计

系统总体框图如图1所示，主要包括STM32单片机模块，DHT11传感器模块，MQ135传感器模块，ESP8266无线模块，阿里云模块，继电器模块。

图1 系统总体框图

2 硬件设计

2.1 控制器选择

控制器采用STM32F103芯片，该芯片是意法半导体推出的高性能、低功耗的32位处理器。其最高工作频率72MHz，128k字节的闪存程序存储器，高达20k字节的SRAM，2个12位数模转换器，7通道的DMA控制器，多达80个快速I/O端口。该芯片性价比高、可靠稳定性好。

2.2 MQ135传感器

MQ135传感器可以检测氨气、硫化物等多种有害气体在空气中的浓度，其检测元件是二氧化锡（Sn02）。二氧化锡在干净的空气中电导率是较低的，随着污染气体浓度的上升，其电导率会增大。通过相应的外围电路可以输出与污染气体浓度相对应的电压信号。其监测浓度范围10~1000ppm，具有寿命长，低成本的特点。

实际使用中，采用MQ135传感器模块，四个端口分别为VCC、GND、AOUT和DOUT，其中AOUT接STM32内置的AD转换器的输入引脚。模块电路图如图2所示。

图2 MQ135传感器模块原理图

STM32具有3个12位分辨率的ADC,每个ADC共用21个外部检测通道，具有单次或多次扫描转换功能，转换速度最快只需1μs。同时我们利用STM32的直接内存存储器（DMA）功能，把ADC转换结果直接传输到SRAM，节省了CPU资源，处理速度进一步提升。

通过MQ135的灵敏度特性曲线可以发现RS/R0与ppm的关系。利用曲线拟合方程工具，在标准条件下（温度20℃，湿度65%，氧气浓度21%，RL=10K）,对灵敏度曲线进行数据采集和曲线拟合，得出甲烷浓度和传感器电压的大致关系：

ppm=pow((3.488＊10＊A DC_VALUE)/(5-ADC_VALUE),(1.0/0.3203))。

2.3 DHT11温湿度传感器

DHT11是一款温湿度一体的数字化传感器，包括一个电阻式测湿元件和一个NTC测温元件，具有稳定性好，响应快，成本低等优点。DHT11与STM32之间采用简单的单总线通讯，仅需要一个IO口就可以将40bit的温湿度数据一次性传送给STM32。数据采用校验和方式方式校验，有效的保证了数据的准确性。DHT11功耗较低，5V电压工作下，工作平均最大电流0.5mA，温度测量范围0℃~50℃，湿度测量范围20~90%RH。

2.4 ESP8266无线模块

ESP8266是串口型WIFI，拥有无线高性能SOC，能够独立运行，也可以作为slave搭载于其他Host运行。芯片内部集成内核CPU、电源管理转换器、天线开关balun等。同时内嵌了高速缓存存储器，减少内存需求，提高了系统运行效率。

ESP8266有三种网络运行模式：STA模式、AP模式和STA+AP模式。本系统中ESP8266主要承担了信息接受和信息发送的任务，故设置为STA模式。通过AT指令来连接到设定的路由器上。

AT+CWJAP=ssid,pswd; 其中ssid为路由器名称，pswd为路由器密码。

设备登录阿里云的AT指令为：

AT+IOTCFG=devicename;productkey;devicesecret;其中devicename为创建的设备名称，productkey为产品名称，devicesecret为设备密钥。这三个在阿里云平台创建产品和设备的时候可以得到。

STM32通过串口2与ESP8266通讯,具体接线方式如图3所示，ESP8266原理图如图4所示。

图3 ESP8266与STM32引脚

图4 ESP8266原理图

2.5 继电器输出模块

当STM32接收到云端发来的控制命令时，可以通过继电器模块执行相应操作，这里用来控制现场照明设备。原理图如图5所示。当PD0输出高电平时，点亮光电耦合器内部LED，晶体管导通，此时Q1的G电压很低，当Q1导通的时候，电磁线圈内部产生电流，继电器吸合。当PD0输出低电平时，Q1关闭，继电器复位。继电器模块是5V供电，STM32单片机系统是3.3V供电，所以采用光电耦合器进行隔离，起到了保护作用。

图5 继电器模块原理图

3 软件设计

STM32控制器的开发环境是MDK 5，采用C语言编程，移植了MQTT传输协议实现与阿里云平台的可靠通讯。将STM32的usart1与电脑端串口调试助手相连，可以实时打印出控制器的运行和连接状态，方便系统的调试。软件流程图如6所示。

图6 系统流程图

3.1 DHT11温湿度数据采集

STM32通过PA8读取DHT11数据，上电后先对DHT11进行初始化，当PA8检测到返回0时，说明初始化成功。DHT11的温湿度数据存放在5个字节，其中包括8位湿度整数部分、8位湿度小数部分、8位温度整数部分和8位温度小数部分。因为DHT11一次通讯时间最大3ms，所以stm32连续采样间隔不小于100ms。读取数据的关键程序如下所示：

3.2 MQ135有害气体浓度数据采集

MQ135模块输出的时模拟信号，电压范围是是0到5V，检测到有害气体的浓度越高，输出电压越高。stm32首先对AD转换器和DMA进行初始化，然后将MQ135的模拟信号转换成数字信号，通过公式计算出有害气体浓度。关键代码如下所示：

3.3 数据上传和命令下发

MQTT是一种具有发布/订阅模式功能的轻量级通讯协议。具有代码设计简单，带宽占用低，通讯实时可靠的特点。对于受限环境如物联网通讯，尤为适用。本协议运行在TCP/IP协议上，有以下特点：

（1）发布/订阅消息模式，提供了一对多的消息分发和应用之间的解耦。

（2）消息传输不需要知道负载内容。

（3）提供三种等级的服务质量。

（4）“至多一次”，底层完全依靠TCP/IP协议，有出现数据丢失的机率。

（5）“至少一次”，确保消息到达，但有数据重复的概率。

（6）“仅一次”，保证消息只到达一次。

（7）网络流量占用低，传输简单，协议交换方便。

（8）发送异常中断时，利用Last Will与Testment功能告知客户端。

由于阿里云平台只接受Alink JSON 标准数据格式，所以在ESP8266采集数据之后要进行数据嵌套，然后再通过MQTT协议发送到云端。数据转换与上传的核心程序如下所示：

同时可以订阅阿里云的相关主题，将平台下传的数据进行解析，获取核心数据，然后跟本地设定好的字符串对比，成功则执行相关命令。这里我们通过云平台控制现场照明，如果发送的命令参数是LED:1则打开照明设备，如果是LED:0则关闭照明设备。核心程序如下所示：

4 阿里云平台设计

4.1 准备工作

首先要注册阿里云物联网平台，登陆后选择公共实例，主要包括以下步骤：创建产品与设备，为产品定义物联网模型，建立设备与平台的连接，服务端订阅设备消息，云端下发指令。创建的产品是管理一类设备的集合，每一个平台设备对应一个实际的物联网设备。创建完设备会获得平台提供的设备三元组，即ProductKey、DeviceName和DeviceSecret。然后按照平台设定的协议规则得到Username、Password、ClientID、IP等参数，最终烧录到物联网设备，作为连接阿里云的身份验证信息。

本文中创建了温度、湿度、MQ135空气质量和控制LED四个属性，主要包含功能名称、标识符、数据类型和数据定义四个属性，具体如图7所示。

图7 属性和功能

4.2 WEB端和APP开发

loT Studio是阿里云提供的一款简单、高效的物联网开发工具，适用于各个物联网行业核心场景。提供了丰富的产品和设备选择。具有web和移动可视化开发功能，开发者无需编写代码就可以快速搭建WEB端和移动端应用。通过拖拽的方式引入仪表盘、历史曲线图、设备控制面板等控件，然后为每个控件配置数据源，应用搭建完毕就可以预览和使用，并支持绑定自己的域名对最终用户进行发布。本文设计的WEB端运行效果如图8所示。APP端如图9所示。