OneNET平台的供暖温度监测系统设计

2023-07-03符晓蕊马安良

杨凌职业技术学院学报 2023年2期

符晓蕊, 马安良

(杨凌职业技术学院, 陕西杨凌 712100)

0 引言

供暖采暖问题是重要的社会民生问题,它关系到群众的切身利益和社会的稳定。我国北方大多数城市已经具有集中供热的设施,但是,冬季供暖仍存在诸多问题,主要包括两个方面,一是居民家里供暖温度不达标时,上报沟通渠道不畅通;二是供暖系统出现问题后故障点不能及时发现,问题解决延迟。由此引发一系列供需矛盾,造成不良的社会影响。为提高居民生活的幸福指数,提高供暖质量和服务质量是急待解决的问题。而从技术上实时监测和掌握供暖状况,是解决上述问题的有效途径。针对以上问题,设计一种基于OneNET物联网开放平台的供暖系统温度数据监测系统。它将通信技术、物联网技术、传感器检测技术、信息处理技术等有效融合,将居民家里和运行管路温度数据作为监测对象,及时发现并解决问题,提高了供暖系统的运行效率,缓解了供需矛盾,提高了居民生活的幸福指数。

由于OneNET物联网是一个开放平台,居民可以实时了解自己房间的体感温度,供暖公司可以随时监测用户终端和供暖系统的运行状况,提高了用户和公司沟通的时效,具有实用性强、操控灵活、准确性高的特点。

1 系统总体方案设计

现代物联网应用平台众多,都可以实现线下数据的接收、数据的云上存储、处理,数据的多样显示功能,开发方案成熟。由于中国移动公司的OneNET物联网云平台开发早,运行成熟,用户数量庞大,因此本系统设计选用此平台,实现标准化,模块化管理,提高了系统开发的效率,降低了推广使用的难度。

本系统首先通过各监测点对居民家里和运行管路温度数据进行采集,并检测数据是否异常,在各监测点能够显示当前的温度数据及运行状态,若温度出现异常,本地可实现声光报警。同时,各监测点每隔一定时间自动将本地的温度数据和工作状况,通过网络发送给中国移动的OneNET云平台。由于采用了云平台,实现了数据的实时采集,工作人员可不在供暖现场进行环境温度监测,而是通过总控室的电脑或手机远程登录OneNET云平台实时查看供暖系统温度参数,一旦在报警界面查看到报警提示,则可立即采取处理措施。系统整体方案设计如图1所示。

图1 系统整体方案设计图

2 监测终端硬件设计

监测终端硬件由主控制器、温度测量、状态显示、异常报警、无线通信、USB串口、按键和电源等电路组成。硬件电路构成如图2所示,各部分功能如下所述。

图2 监测终端硬件结构示意图

2.1 主控制器选择

主控制器采用的是STM32F103芯片,该芯片具有低功耗、高性能的特点,芯片内具有定时器、模数变换、各类总线接口,与外设的连接方便,硬件电路易于实现。另外控制器提供了完整的接口驱动函数,功能易于实现。

2.2 温度测量

温度测量传感器采用DS18B20,DS18B20采用单线数字温度传感器,支持“一线总线”接口,测量温度范围为-55 ℃～+125 ℃,在-10 ℃～+85 ℃范围内,精度为±0.5 ℃,产品电压范围从3 V～5.5 V。使系统设计更灵活、方便,能满足本系统温度测量要求。DS18B20外包装有塑封和金属封装两种形式,塑封使用方便,适用于用户家里环境温度测量,金属封装适用于供暖管路和水温的测量。

2.3 无线通信模块

为了实现监测终端与OneNET云平台数据交换,本系统采用两种网络通信方式,WIFI和4G网络。在有WIFI的区域采用基于WIFI的通信模块进行信息的传输,节省通信费用。本系统采用WIFI模块的主控芯片是ESP8266,它采用通用的2.4GHz频段,支持STA/AP/STA+AP三种工作模式。该WIFI模块的工作电压只需要稳定的3.3V电源,待机功耗低。WIFI模块使用串口通信与STM32进行连接,STM32通过串口发送指令对WIFI进行各项操作,在WIFI模块第一次联网时,需要一个按键配网连接路由器,通过手机扫描二维码,向WIFI模块传输路由器的账户和密码。

在WIFI信号没有覆盖的区域使用4G模块,由于本系统数据量不是很大,通信费用成本较低。采用任意一种方式连接OneNET平台,连通后,都会自动发起MQTT连接。连接上OneNET后,要求监测点每隔一定时间,向平台传输一次温度数据及报警信息;并定时向OneNET平台发送心跳包。

2.4 状态显示

状态显示部分采用0.96寸OLED显示器,该显示器无需背光、显示单元能自发光。屏幕的分辨率为128*64ppi,厚度薄、视角广、反应速度快、与STM32采用SPI通信方式,最多只要4个IO接口就能驱动,同时可显示四行中文或英文,在本系统中主要显示当前系统时间,测量温度值、运行状态等数据。

2.5 异常报警

正常情况下,用一只发光二极管作为电源指示,当测量的温度不在正常范围时,通过蜂鸣器发声和另一只发光二极管闪烁来报警,如果不需要声音报警功能,可以通过按键关闭声音。

2.6 USB串口

USB串口的功能有两个,一是完成程序的ISP下载,二是提供STM32单片机与PC机的通信接口,在PC端通过串口调试助手可以了解监测终端工作状况,方便系统调试。

2.7 按键电路

本系统共设置5个按键,其中KEY1按键接在STM32的PA0端口,在本系统中主要是完成WIFI模块的配网操作。其余四个按键进行系统功能的设置,其中KEY2按键作为功能模式选择,KEY3按键作为数据加,KEY4按键作为数据减,KEY5按键按下时退出设置状态,这四个按键与OLED配合可以完成系统的各项参数设置。

2.8 电源电路

监测终端功率很小,为了实现起来更快捷方便,本设计采用交流220 V转5 V的电源适配器,在主板上集成一个AMS1114-3.3芯片组成的降压电路,输出稳定的3.3 V电压,为主控芯片和外围电路提供电压。

3 监测终端软件设计

监测终端软件设计流程图如图3所示。

图3 监测终端软件流程图

监测终端通电后,首先对硬件初始化,让所有硬件正常工作,开启实时实钟,实现温度的测量、存储、显示、判断供暖是否正常。通过程序让通信模块连接网络。网络连接成功后,通过程序实现监测终端与OneNET云平台的数据交互,发送测量数据和心跳包。每一个监测终端程序基本相同,唯一的区别是在通信程序模块中设置本地监测终端对应OneNET云平台产品ID、对应设备的设备ID和鉴权信息,程序如下所示。

#define PRODUCT_ID “455452” //产品编号

#define DEV_ID “611521389” //设备ID

#define PASSWARD “envir123” //鉴权信息

4 OneNET物联网开放平台开发

中国移动OneNET物联网开放平台具有高效、稳定、安全的特点。本物联网平台支持各种网络环境和协议类型,便于各种传感器的快速接入,提供丰富的应用程序的调用接口和应用模板以支撑智能硬件的开发,快速实现设备连接、协议适配、数据存储、数据分析、数据多样显示,有效降低物联网应用开发和部署成本。

为了显示监测终端采集的温度数据,需要对OneNET物联网开放平台进行相应的部署,通过创建产品、添加设备和配置数据流三个环节来实施。

首先,创建产品,在OneNET物联网开放平台完成用户的注册、身份验证、登录系统进入控制台,在OneNET产品目录中选择“多协议接入”服务,创建产品,用于接收和存储监测数据,在创建产品类型时选择MQTT协议接入,自动生成一个产品ID,如图4所示。

图4 在OneNET平台创建一个产品

下一步,添加设备,进入产品设备列表,使用“添加设备”功能为该产品添加设备,如图5所示。按需求输入设备的“设备名称”“鉴权信息”,并对设备进行功能性描述,设定每一个设备的位置信息。系统会为新设备生成一个设备ID号。

图5 添加新设备配置内容

最后一步,配置数据流,设备添加成功后,点击“数据流”选项,进入数据流展示列表,应用“添加采样数据流”为当前设备添加采样数据。

重复上述操作步骤可以添加多个产品,实现多个点的数据采集。

5 数据的展示

通过上述环节就完成了整个系统温度数据的收集与存储,接下来将温度数据形象地展示出来。OneNET平台提供了多种数据展示方式,利用OneNET平台的应用管理功能,分别开发电脑端与手机端的应用程序,鉴于供暖系统功能需要,对于每一个终端数据采用两种展示方式如图6所示:一仪表展示,对当前的实时温度采用仪表显示,并设置处理程序,当温度不在设定范围时,及时报警;二曲线展示,对一段时间内的温度数据采用温度曲线显示,时间长短可以设置,用于监测供暖的质量。用户可以通过电脑或者智能手机登录OneNET平台随时访问监测界面,实现供暖系统温度数据的实时监测。