基于MQTT协议的阿里云IoT平台远程电压采集系统设计

2023-02-08徐世翔

物联网技术 2023年1期

徐世翔，曹原

（南阳理工学院，河南南阳 473000）

0 引言

随着物联网行业的快速发展，万物智联的概念逐渐兴起，5G网络的到来更是加速了物联网的发展进程。现如今，物联网在各行各业均有非常广泛的应用，如物联网监控系统、智能快递柜等，无不为人们的生活增添了极大的便利[1-5]。本文基于物联网技术，顺应时代的潮流，意在打通传统单片机与物联网平台的壁垒；在技术上将二者相结合，进行实验性和验证性的设计。本设计以搭载STM32F103RB的NUCLEO实验板[6-7]作为主控单元，配合ESP8266模块实现设备联网；同时使用板载的ADC通道1、2测量外部电压输入，采集核心温度、核心电压通道数据，使用MQTT协议同步上传至阿里云平台，实现远程电压监测的设计。

1 系统总体设计

本系统总体设计如下：阿里云平台包括注册、平台配置等，通过模拟MQTT小程序模拟上报数据，用于测试平台配置；ESP8266模块包括使用AT指令配网，学习MQTT协议，编写程序对数据进行采集，对模块进行分布调试（串口、网络、IoT平台），进行数据上报；IoT Studio中的Web应用包括页面编辑、组件使用、数据源配置、美化网页等。同时对钉钉机器人的配置进行学习，贯通平台，实现设计要求。系统框图如图1所示。

图1 系统框图

2 系统硬件设计

2.1 物联网模块设计

ESP8266模块连接WiFi热点的原理是通过串口向其发送模块配置指令（称为AT指令）[8-10]。在编写程序前可以先使用USB转串口模块对其进行调试，熟悉配网流程与相应的操作，成功之后再对程序进行编写，提高开发效率。查询ESP8266技术手册可知，配网操作需要使用表1所列指令。

表1 ESP8266模块AT指令

发送指令后，模块将回复相应的内容，例如“OK”，表示操作完成。ESP8266模块使用MQTT协议连接阿里云平台有多种方式，在实践中本文选择了难度较低、较易实现的固件烧录。在ESP8266出厂版本的固件中，并不包含可以通过MQTT协议连接云平台的AT指令。根据官方手册与使用指南中的“固件烧录”可以找到相应的方法与流程。成功后，可以直接根据AT指令配置模块，通过MQTT协议连接阿里云平台。此时，在产品设备详情中即可看到设备在线。

2.2 主控程序设计

在usart.c中添加串口重定向函数，使得在程序中可以使用printf指令向模块发送AT指令。将ESP8266操作指令封装进头文件esp8266.h，加入工程include路径中；并在esp8266.h的起始位置编写头文件定义，在esp8266.h中编写配网AP指令，设置单片机应答内容；在main.c文件中定义变量，在main函数初始化代码后添加定时器使能、DMA校准、DMA使能等相应程序，在定时器中断回调函数中编写时间片轮转调度程序；在while循环之前调用指令进行配网、阿里云平台用户配置等操作，在while循环中使用switch语句编写时间片轮转调度程序；在任务1中LED以1 s间隔闪烁，任务2中采集核心温度，任务3中采集核心电压与通道电压，任务4中上报物模型数据。

2.3 物联网平台界面设计

如图2所示，进入项目详情页面主页，在项目开发中选择Web应用，新建一个Web应用，自定义应用名称与描述后点击确定。在编辑页面的左边栏中，选择组件，即可进入组件列表。

图2 组件列表

将需要使用的组件拖入页面中，即可添加组件。单击组件，即可在右边栏中定义组件属性。例如，需要使用组件仪表盘时，将仪表盘组件从左边栏中拖出，点击新组件，在右边栏中定义数值范围、数值单位、标题内容、数据源等。在左边栏中的页面选项，可以自定义页面元素，例如导航布局中的边栏、子页面入口等。“仪表盘”组件如图3所示。

页面绘制完成后，即可发布上线，点击预览即可预览网页效果，如图4所示。