基于CC3200的遠程環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)

劉巧利++賀鵬飛++周洋

摘 要：文中構建了基于CC3200和Yeelink平臺的無線遠程環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)，通過節(jié)點上各種不同類型的傳感器測量環(huán)境中的各項參數(shù)，借助CC3200片上WiFi模塊和強大的互聯(lián)網(wǎng)安全協(xié)議實現(xiàn)自主組網(wǎng)功能，將采集到的數(shù)據(jù)通過無線傳輸方式傳送到服務器，實現(xiàn)在Internet中實時監(jiān)測環(huán)境指標數(shù)據(jù)并進行反饋控制?；谖锫?lián)網(wǎng)技術的遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可與手機和平板電腦等終端互聯(lián)互通，方便靈活，可隨時加入各種傳感器，能夠適應不同環(huán)境的監(jiān)測需求。

關鍵詞：CC3200；Yeelink平臺；遠程監(jiān)測；反饋控制；傳感器

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）10-00-03

0 引 言

隨著計算機技術和網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展，環(huán)境監(jiān)測由原始的儀器設備分析向智能化的物聯(lián)網(wǎng)方向發(fā)展，實現(xiàn)了無線控制的遠程環(huán)境監(jiān)測。然而傳統(tǒng)遠程監(jiān)測設備存在功耗高、體積大、安裝不方便等特點，尤其是物聯(lián)網(wǎng)應用中遠程控制設備的不完善，使其應用場合受到了極大限制。為了提高系統(tǒng)工作效率，擴大系統(tǒng)的使用范圍，降低生產(chǎn)成本，需要一種功耗低、體積小、便于移動、安裝無需布線、使用方便快捷的新型遠程監(jiān)測與控制系統(tǒng)[1]。

本文針對目前環(huán)境監(jiān)測過程中出現(xiàn)的地域限制、網(wǎng)絡不穩(wěn)定等導致測量參數(shù)不準確的問題，應用CC3200芯片和Yeelink平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互與連接，溫度的遠程監(jiān)測及燈光控制，使其不受時間、地域的限制[2]。軟硬件設計靈活清晰，具有很強的擴展性，利用這些成果對本設計做適當修改就能夠?qū)崿F(xiàn)各種有意義的應用系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設計

1.1 系統(tǒng)設計原理

本項目主要以CC3200芯片的內(nèi)置WiFi為依托，借助互聯(lián)網(wǎng)HTTP協(xié)議來實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。解決了傳感器與主控芯片的數(shù)據(jù)傳輸、系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)方式、傳感器節(jié)點與物聯(lián)網(wǎng)平臺的數(shù)據(jù)傳輸、終端用戶數(shù)據(jù)的獲取等問題，實現(xiàn)了遠程監(jiān)測與控制，只要手機或電腦等手持設備連接到因特網(wǎng)，通過服務器就可以實現(xiàn)手機終端對系統(tǒng)終端的監(jiān)測控制。系統(tǒng)原理如圖1所示。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)云平臺

本項目采用Yeelink平臺。Yeelink是一個開放的通用物聯(lián)網(wǎng)平臺，可為用戶提供傳感器云服務，并通過實時數(shù)據(jù)處理提供安全可靠的狀態(tài)監(jiān)控。Yeelink獨有的高并發(fā)接入服務器和云存儲方案，能夠同時完成海量傳感器數(shù)據(jù)接入和存儲任務，確保數(shù)據(jù)能夠安全保存在互聯(lián)網(wǎng)上。Yeelink平臺支持數(shù)值型、圖像型、GPS型和泛型等多種數(shù)據(jù)的接入，并提供完備的API文檔和代碼示例。通過API接口，簡單操作就能將傳感器接入Yeelink平臺，實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)控[3]。在Yeelink上，數(shù)據(jù)不再是孤單的節(jié)點，存儲在Yeelink的數(shù)據(jù)可以簡單的被API取回，放置到個人博客上，或根據(jù)規(guī)則自動轉發(fā)到個人指定的微博上，實現(xiàn)人與數(shù)據(jù)的全面融合[4]。

圖1 系統(tǒng)整體原理圖

1.3 CC3200 Wireless MCU

該監(jiān)測與控制系統(tǒng)的主芯片采用CC3200，它是具有內(nèi)置WiFi的MCU。CC3200器件是一個完整平臺解決方案，包括軟件、示例應用、工具、用戶和編程指南、參考設計以及TI E2E 支持社區(qū)。FT2232芯片支持串口Flash編程，可通過PC的USB口進行UART通信。測試用的板子內(nèi)置天線設計、2個用戶按鍵和3個LED指示燈及用于供電和調(diào)試的Micro USB接口、加速度和溫度傳感器、電流測量接口等[3]。

作為業(yè)界第一個具有內(nèi)置WiFi連通性的單片微控制器單元（MCU），CC3200有著優(yōu)良的特性：

（1）擁有業(yè)界最低的功耗，適用于電池供電式設備；

（2）高靈活性，CC3200的集成型可編程ARM Cortex?-M4 MCU允許用戶添加其特有的代碼；

（3）可利用快速連接、云支持和片上WiFi、互聯(lián)網(wǎng)和安全協(xié)議實現(xiàn)針對IoT的簡易開發(fā)；

（4）能夠采用某種手機或平板電腦應用程序或網(wǎng)絡瀏覽器簡單且安全地將其設備連接至WiFi[3]。

正是基于這些優(yōu)良特性，CC3200才能被廣泛用于物聯(lián)網(wǎng)應用，如家庭自動化、家用電器訪問控制、安防系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關、IP網(wǎng)絡傳感器節(jié)點等，具有廣闊的發(fā)展前景。

2 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)軟件設計采用分層次和模塊化的設計思想，從簡單的基本設備管理到無線網(wǎng)絡配置，及BSD Socket服務與更多其他功能。這些功能被歸類為不同的組件，每個組件具有不同的功能。其中包括設備（Device），WLAN連接，Socket通信，網(wǎng)絡應用（NetApp），網(wǎng)絡參數(shù)配置（Netcfg），文件系統(tǒng)（FS）等，各組件的功能見表1所列。

以上各個組件獨立進行封裝，通過驅(qū)動調(diào)用各種功能。在驅(qū)動上分出外設抽象層，使得程序調(diào)用更簡單，可實現(xiàn)功能的透明化。如果使用嵌入式操作系統(tǒng)，還可以添加OS抽象層，使得系統(tǒng)便于調(diào)用底層驅(qū)動以及各種功能函數(shù)[5]。使用紅外非接觸式溫度傳感器，若采用I2C接口與CC3200通信，則需要調(diào)用I2C驅(qū)動，因此它屬于Device模塊。WiFi接入WLAN模塊，HTTP通信屬于Socket和Net App模塊，數(shù)據(jù)的本地存儲屬于文件系統(tǒng)（FS）模塊。

系統(tǒng)執(zhí)行包括CC3200初始化、網(wǎng)絡連接初始化、溫度傳感器TMP006以及LED初始化、HTTP Client初始化、連接云平臺上傳溫度數(shù)據(jù)及控制信息的獲取，最后執(zhí)行控制。系統(tǒng)執(zhí)行流程如圖2所示。

2.1 系統(tǒng)初始化設計

為確保系統(tǒng)上電能夠正常運行，需要對CC3200進行初始化配置。CC3200初始化的過程比較復雜，初始化會調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)，包括促使系統(tǒng)運行的底層驅(qū)動。具體流程為：設置向量標記地址，使能處理器，使能系統(tǒng)中斷，配置系統(tǒng)時鐘，配置DMA，使能實時時鐘RTC，設置SWD模式，重寫JTAG線程，使能軟復位，關閉休眠[6]。endprint

2.2 網(wǎng)絡連接的初始化設計

為確保系統(tǒng)能夠正常連接網(wǎng)絡，需要對CC3200網(wǎng)絡連接進行初始化配置。初始化會調(diào)用網(wǎng)絡連接相關函數(shù)，包括WLAN連接，網(wǎng)絡配置等相關驅(qū)動[7]。首先，配置系統(tǒng)進入默認狀態(tài)，選擇進入station模式后，獲取設備版本信息，設置WLAN連接策略，使能DHCP客戶端，設置發(fā)射功率，設置電源管理策略。最后，初始化變量獲取SSID參數(shù)，連接WLAN即可。當無法進入station模式時，我們就要轉換模式，使系統(tǒng)重新進入默認狀態(tài)。

2.3 溫度傳感器TMP006的配置

溫度傳感器采用TMP006。TMP006為非接觸式溫度傳感器，具有2.2～5.5 V的輸入電壓范圍，8位可編程地址，本設計采用的TMP006地址默認為0x41。工作時電流消耗僅為240 μA，通過I2C串行總線接口與CC3200通信[8]。I2C串行總線有兩根信號線，一根為雙向數(shù)據(jù)線SDA，另一根為時鐘線SCL。所有接到I2C總線設備上的串行數(shù)據(jù)SDA都接到總線的SDA上，各設備的時鐘線SCL接到總線的SCL上。

為正確讀取傳感器數(shù)據(jù)，首先通過I2C接口函數(shù)對TMP006的MANUFAC_ID 和DEVICE_ID 進行驗證，驗證通過才能讀取傳感器值，經(jīng)處理、計算后變?yōu)闇囟戎怠?/p>

2.4 HTTP Client初始化

數(shù)據(jù)要上傳到物聯(lián)網(wǎng)云平臺。物聯(lián)網(wǎng)云平臺是一種服務器，規(guī)定了數(shù)據(jù)的傳輸協(xié)議并給出了與數(shù)據(jù)交互相關的API，協(xié)議規(guī)定使用HTTP進行連接和數(shù)據(jù)交互。要使用HTTP，需對HTTP Client進行初始化操作。本設計中主要采用了GET和POST兩種方式對數(shù)據(jù)進行操作。GET一般用于獲取/查詢資源信息，而POST一般用于更新資源信息。因此只需定義GET和 POST方式即可。

2.4.1 定義GET

在HTTP請求中，第一行必須是一個請求行（Request Line），用來說明請求類型、要訪問的資源以及使用的HTTP版本。緊接著是一個首部（Header）小節(jié)，用來說明服務器要使用的附加信息。在首部之后是一個空行，再此之后可以添加任意其他數(shù)據(jù)，稱之為主體，HTTP請求后，服務器會對請求做出響應。在請求之前，HTTP Client把這些信息封裝起來，最后調(diào)用Socket通信接口發(fā)送給服務器。

2.4.2 定義 POST

POST同樣包含請求和響應，POST方式同時可把數(shù)據(jù)傳輸給服務器，本設計提交的數(shù)據(jù)為JSON格式，利用數(shù)組進行存儲。POST的方式包含與GET方式相同的頭部信息，只是在最后把溫度數(shù)據(jù)信息封裝在BODY里[9]。

2.5 連接云平臺及數(shù)據(jù)交互

使用公共物聯(lián)網(wǎng)云平臺。該平臺傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為JSON格式，平臺為用戶提供一些API，使用的API包括創(chuàng)建數(shù)據(jù)點和查看數(shù)據(jù)點。

2.5.1 創(chuàng)建數(shù)據(jù)點

對該URL的一個HTTP POST請求會為指定的傳感器創(chuàng)建一個新的數(shù)據(jù)點，使用此API來為傳感器存儲歷史數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)格式為JSON，即一個datapoint是由key和value組成的鍵值對，key為timestamp， value為數(shù)值，請求方式為POST，返回值為HTTP Headers Only，需要在HTTP Header中增加API Key來授權寫入操作。

2.5.2 查看數(shù)據(jù)點

對該URL的請求返回指定key的datapoint，若未指定key，則返回該sensor的最新數(shù)據(jù)，請求方式為GET，返回值為請求的傳感器信息，返回值數(shù)據(jù)格式為JSON。在訪問數(shù)據(jù)和創(chuàng)建數(shù)據(jù)之前，需要在物聯(lián)網(wǎng)云平臺注冊用戶，并創(chuàng)建設備和傳感器，這樣可以獲取對應API Key。

2.6 執(zhí)行控制結果

在通過GET和POST方式請求信息之后，服務器都會返回對應的信息，當通信成功且被云平臺接受之后，服務器會返回具體的操作信息。上傳溫度數(shù)據(jù)之后服務器會確認上傳成功。請求LED開關狀態(tài)之后，服務器返回LED的亮滅狀態(tài)。在本設計中，主要完成對LED狀態(tài)的控制，因此，板載LED顯示的狀態(tài)即為服務器上的狀態(tài)?？刂贫耸褂肁ndroid App修改LED狀態(tài)信息，即可改變LED的亮滅?？刂芁ED調(diào)用CC3200 GPIO修改IO口的輸出狀態(tài)。時序如圖3所示。

3 系統(tǒng)功能測試

系統(tǒng)功能測試包括上行測試和下行測試。上行主要為監(jiān)測，指溫度傳感器數(shù)據(jù)從CC3200發(fā)往服務器，手機App從服務器下載數(shù)據(jù)，然后以曲線形式表現(xiàn)出來。下行主要為控制，是指用戶通過手機App或電腦訪問服務器，控制指示燈的開閉。

3.1 上行測試

首先通過USB對電路板供電，然后打開Android端Yeelink平臺并登錄，一段時間后查看，數(shù)據(jù)以曲線形式表示，如圖4所示。橫坐標表示時間，縱坐標表示溫度，曲線上每一個點都是對應時刻室內(nèi)的溫度。此次測試是在夏季，我們選擇室內(nèi)環(huán)境，截取了早上7點到下午1點間得到的數(shù)據(jù)。

3.2 下行測試

通過手機App登錄Yeelink平臺，規(guī)定在按下手機控制按鈕5 s之內(nèi)LED燈做出正確反應則為成功，否則為失敗。經(jīng)過600次測試，控制過程基本準確，統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表2所列。

4 結 語

本文設計開發(fā)了基于CC3200的遠程環(huán)境監(jiān)測與燈光控制系統(tǒng)，在Yeelink平臺上實現(xiàn)了無線遠程監(jiān)控，不論手機或電腦都可實現(xiàn)靈活操作。在系統(tǒng)架構上，實現(xiàn)了參數(shù)的遠程信息采集，以太網(wǎng)和3G移動通信的接入方式，云計算和Web服務器發(fā)布數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)的監(jiān)控與共享。在此控制基礎上，還可以實現(xiàn)更多功能，如測空氣濕度、攝像頭監(jiān)控等，對工農(nóng)業(yè)的發(fā)展有實際意義。

參考文獻

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