基于物聯(lián)網(wǎng)的智能地板設(shè)計(jì)

吳光棟 張程皓 馬偉鋒 張科紅

摘要：為了減少滑倒事件并及時(shí)報(bào)警，本文設(shè)計(jì)了一款基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能地板。該地板系統(tǒng)以STM32為核心，通過(guò)傳感器采集所處環(huán)境下的溫濕度信息并判斷地面的濕滑度，再使用加熱模塊進(jìn)行快速的加熱、烘干表面的水漬以降低摔倒的可能性。系統(tǒng)通過(guò)重力檢測(cè)模塊檢測(cè)摔倒事件的發(fā)生，同時(shí)使用MQTT協(xié)議將發(fā)生的摔倒事件匯報(bào)給OneNET服務(wù)器，并發(fā)送報(bào)警郵件。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)穩(wěn)定性好，能達(dá)到預(yù)期效果，具有良好的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);STM32;傳感器;MQTT;智能地板

中圖分類號(hào)：TP273

Abstract：In order to reduce slip events and alarm in time，an intelligent floor based on IOT technology is designed.This floor system takes STM32 as the core，collects the temperature and humidity information of the environment and judges the slippery degree of the ground through the sensor，and then uses the heating module to quickly heat and dry the water stains on the surface to reduce the possibility of slipping.The system detects the occurrence of the slip event through the gravity detection module，and reports the event to oneNET server by using MQTT protocol，and sends the alarm email through oneNET server.Experiments show that the system has good stability，can achieve the desired effect，and has good practical value.

Key words：IOT;STM32;sensor;MQTT;intelligent floor

下雨天，當(dāng)人們走進(jìn)食堂、商店等公共場(chǎng)所時(shí)，鞋子上難免會(huì)帶上些水漬，一方面這些水漬會(huì)讓地面顯得臟亂潮濕，但更嚴(yán)重的是容易引起摔倒事故。據(jù)2001年美國(guó)兒童協(xié)會(huì)與美國(guó)國(guó)家安全協(xié)會(huì)調(diào)查報(bào)告中顯示，在美國(guó)每年平均900萬(wàn)人滑倒受傷，約1.6萬(wàn)人死于滑倒事故，因滑倒受傷而引起的訴訟、糾紛、賠償和損失每年已高達(dá)一千億美元[1]。所以從保障安全的角度來(lái)說(shuō)，一款能自動(dòng)除濕防滑的地磚是為市場(chǎng)所需要的。隨著信息化技術(shù)的不斷進(jìn)步，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在通信應(yīng)用、環(huán)境監(jiān)控、工業(yè)生產(chǎn)及農(nóng)業(yè)科技等多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域獲得了顯著的應(yīng)用[2]。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與防滑地磚相結(jié)合，構(gòu)造一個(gè)“會(huì)說(shuō)話”的智能地磚，從而更好地保障人們的安全，將會(huì)是個(gè)不錯(cuò)的主意。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

本產(chǎn)品的系統(tǒng)架構(gòu)是以單片機(jī)作為地板的智能控制核心，接收處理傳感器（溫度、重力、濕度）獲取的相應(yīng)數(shù)據(jù)，控制加熱模塊的輸出，再采用網(wǎng)絡(luò)通信模塊esp8266模塊將數(shù)據(jù)傳輸至第三方物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，最終可以使得此產(chǎn)品在判斷表面溫濕度情況后實(shí)現(xiàn)自動(dòng)制熱烘干，且方便用戶觀察重力、溫度等數(shù)據(jù)，當(dāng)特定摔倒事件發(fā)生時(shí)能及時(shí)發(fā)送郵件到關(guān)聯(lián)賬戶進(jìn)行提醒。該智能地板總體框架如圖1所示。

2 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法來(lái)構(gòu)建，主要由電源模塊、傳感器模塊、加熱模塊、微控制器模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊及物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)組成。電源模塊為線性可調(diào)電源3.3V和外置開(kāi)關(guān)電源12V，其中線性可調(diào)電源為單片機(jī)供電，開(kāi)關(guān)電源直接給加熱控制電路供電。

控制核心選用單片機(jī)STM32F103C8T6，它是ARM32位的內(nèi)核架構(gòu)，程序存儲(chǔ)器容量是64KB，支持的外設(shè)豐富，包括ADC、SPI、USB、IIC和UAR等[3]，可以很好地滿足課題的要求。網(wǎng)絡(luò)通信模塊采用ESP8266，屬于低功耗的32位微控制器，支持USART進(jìn)行通信，支持AT指令對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)功能的操作。[4]本次的設(shè)計(jì)中其引腳RXD與TXD通過(guò)串口與控制器STM32相連，采用AT指令進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)操作。

傳感器模塊主要包括溫度檢測(cè)模塊、濕度檢測(cè)模塊以及重力檢測(cè)模塊。溫度檢測(cè)模塊采用采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，精度為±0.5攝氏度[5]。濕度檢測(cè)模塊采用的是雨滴傳感器，是一個(gè)基于運(yùn)放LM393構(gòu)建的兼容模擬量與數(shù)字量輸出的檢測(cè)模塊。重力檢測(cè)模塊采用的傳感器HX711是一款24位高精度電子秤A/D轉(zhuǎn)換模塊[6]，擁有10HZ和80HZ的輸出數(shù)據(jù)速率，低功耗，檢測(cè)重力范圍根據(jù)應(yīng)變片材料性質(zhì)而定。

加熱控制模塊部分是保障地板能除濕防滑的核心單元，主要采用MOSFET來(lái)對(duì)半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行控制，采取了IR2101作為MOS管的前級(jí)驅(qū)動(dòng)，結(jié)合前半部分的二極管和電容組成一個(gè)BOOST的升壓電路來(lái)控制MOS管的導(dǎo)通，更甚者IR2101本身是個(gè)半橋式驅(qū)動(dòng)，可以通過(guò)兩個(gè)IR2101與MOS管形成H橋式驅(qū)動(dòng)電路對(duì)半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行加熱制冷的處理[7]。本次的設(shè)計(jì)中其引腳接口在PA0、PB9、PA1、PB8。PA0控制MOS管Q1導(dǎo)通輸出高電平，PB8控制MOS管Q4導(dǎo)通輸出低電平，其余MOS管關(guān)閉，此時(shí)OUT+、OUT-端產(chǎn)生高電平致使半導(dǎo)體制冷片加熱;PA1控制mos管Q3導(dǎo)通輸出高電平，PB9控制MOS管Q2導(dǎo)通輸出低電平，其余MOS管關(guān)閉，此時(shí)OUT+、OUT-端電平反轉(zhuǎn)輸出低電平致使半導(dǎo)體制冷片制冷。MOSFET驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體工作流程圖

系統(tǒng)的功能主要為硬件平臺(tái)的初始化、傳感器數(shù)據(jù)獲取與處理、網(wǎng)絡(luò)的連接。實(shí)行流程分為6步，包括S0：?jiǎn)纹瑱C(jī)、外設(shè)初始化;S1：傳感器開(kāi)始工作，單片機(jī)獲取傳感器數(shù)據(jù);S2：通過(guò)MQTT發(fā)送物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)所需數(shù)據(jù);S3：重力傳感器檢測(cè)行人經(jīng)過(guò);S4：加熱模塊開(kāi)始工作;S5：判斷是否發(fā)生摔倒時(shí)間，發(fā)生時(shí)發(fā)送報(bào)警郵件通知?？傮w工作流程圖如圖3所示。

3.2 通信協(xié)議介紹及部分程序?qū)崿F(xiàn)

本系統(tǒng)編程采用模塊化的方式完成，主要是實(shí)現(xiàn)各模塊之間的通信，微控制器需要控制各個(gè)器件就得使用諸如IIC、1-WIRE、UART等通信協(xié)議。

3.2.1 HX711重力感應(yīng)模塊

HX711是一個(gè)基于AD轉(zhuǎn)換得到重力值的一個(gè)模塊，使用的是IIC協(xié)議，由四根線GND、VCC、SCL、SDA完成，以八位（一個(gè)字節(jié)）為傳輸單位。IIC協(xié)議有四種狀態(tài)：起始狀態(tài)、終止?fàn)顟B(tài)、數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)、應(yīng)答狀態(tài)。IIC讀取數(shù)據(jù)代碼實(shí)現(xiàn)：

3.2.2 加熱控制模塊

IR2101s是美國(guó)IR公司推出的一款板橋驅(qū)動(dòng)芯片，可以將輸入端電平放大后輸出。本次設(shè)置定時(shí)器為PWM輸出模式，分頻值為72，計(jì)數(shù)模式向上計(jì)數(shù)，自動(dòng)裝載值為100，設(shè)定輸出頻率10KHZ。使用HAL_TIM_PWM_Start（）開(kāi)啟PWM工作模式，設(shè)置溫度閾值和濕度閾值，當(dāng)溫度小于20攝氏度或者濕度達(dá)到一定閾值時(shí)，使用__HAL_TIM_SET_COMPARE（）調(diào)節(jié)占空比，從而控制MOS管的工作狀態(tài)，達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的作用。

3.2.3 ESP8266網(wǎng)絡(luò)通信模塊

ESP8266是一款超低功耗的UART Wi-Fi傳輸模塊，可將智能設(shè)備連接到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。該模塊支持串口轉(zhuǎn)Wi-Fi STA、串口轉(zhuǎn)AP和Wi-Fi STA+Wi-Fi AP的模式，可通過(guò)AT指令對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行更改設(shè)置。本次設(shè)計(jì)使用AT指令集來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的接入操作，使用的AT指令如下：

（1）CWJAP：設(shè)置ESP8266要接入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的賬戶和密碼指令，具體命令格式為AT+CWJAP="賬戶"，"密碼";

（2）CIPMUX：配置多連接模式，本次使用的只有單連接模式，具體命令格式AT+CIPMUX=1;

（3）CIPSERVER：配置服務(wù)器指令，指令為1則開(kāi)啟服務(wù)器模式，指令為0則關(guān)閉服務(wù)器模式，本次的配置具體命令格式為AT+CIPMUX=1;

（4）CIPSTO：配置鏈接超時(shí)的等待時(shí)間，具體命令格式為AT+CIPSTO=1200;

（5）CIPSTART：建立網(wǎng)絡(luò)鏈接的IP和端口號(hào)，因?yàn)閑sp8266本身并無(wú)MQTT固件，所以選擇TCP協(xié)議，本次鏈接的平臺(tái)為OneNET，IP地址為183.230.40.39，端口號(hào)為6002，具體命令格式為AT+CIPSTART=0，"TCP"，"183.230.40.39"，6002;

（6）CIPSEND：發(fā)送命令，因本次的鏈路為0，設(shè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為x，具體格式為AT+CIPSEND=1，x。

3.2.4 MQTT連接物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

MQTT是一種輕量級(jí)的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，具有輕量、簡(jiǎn)單、開(kāi)放和易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，適用范圍十分之廣泛，在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的應(yīng)用中十分之常見(jiàn)[8]。ESP8266使用MQTT接入物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)OneNET的第一步為請(qǐng)求連接（CONNECT），平臺(tái)接入成功后第二步為發(fā)布消息（PUBLISH）。在實(shí)際的使用過(guò)程中，為了保證數(shù)據(jù)在傳輸中的可靠性，將使用數(shù)組形式通過(guò)TCP連接到OneNET。

4 智能地板的實(shí)測(cè)效果

微控制器通過(guò)通信協(xié)議采集的各種數(shù)據(jù)可以通過(guò)MQTT顯示在OneNET上，OneNET自備圖形化界面設(shè)計(jì)軟件，可以通過(guò)組件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示，此處將要上傳的數(shù)據(jù)id“h”綁定在重力或溫度等，就能通過(guò)MCU改變數(shù)值來(lái)控制圖形界面的折線圖和儀表盤。實(shí)驗(yàn)界面的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用顯示如圖4所示，其中左圖表示重力數(shù)據(jù)，右圖表示溫度數(shù)據(jù)。

本次實(shí)驗(yàn)測(cè)量原本室內(nèi)溫度為23攝氏度，當(dāng)附著在地板縫隙處的雨滴傳感器感應(yīng)到水漬時(shí)，加熱系統(tǒng)啟動(dòng)，通過(guò)控制加熱輸出模塊可實(shí)現(xiàn)溫度的上漲，進(jìn)而烘干水漬。經(jīng)由約10分鐘的加熱，地板溫度上升到33攝氏度。本次實(shí)驗(yàn)測(cè)量通過(guò)改變鐵餅重量模擬重力突變測(cè)試情況，扔鐵餅?zāi)M摔倒產(chǎn)生沖擊力的情況，此時(shí)重力數(shù)據(jù)的突變成功觸發(fā)了OneNET自帶的觸發(fā)器，實(shí)現(xiàn)報(bào)警郵件的發(fā)送。摔倒報(bào)警圖如圖5所示。

5 結(jié)論

本文介紹了一款基于微控制器STM32F103C8T6的智能地板系統(tǒng)，其集成有重力檢測(cè)模塊、溫濕度模塊、加熱模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊等，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)OneNET能為用戶提供數(shù)據(jù)支持，實(shí)現(xiàn)如重力檢測(cè)、溫濕度檢測(cè)及摔倒報(bào)警等。該地板產(chǎn)品樣機(jī)試制成功，具有成本低、靈敏度好、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，作為大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目在浙大城市學(xué)院2020創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽中榮獲一等獎(jiǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]招邵赟.淺析陶瓷防滑釉的研制[J].佛山陶瓷，2017（8）：27-29+37.

[2]楊成.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其應(yīng)用前景探索[J].信息通信，2020（1）：245-247.

[3]林松華，王戰(zhàn)慶，汪文海，等.基于STM32的脈搏自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子質(zhì)量，2018，（10）：24-27.

[4]沈華剛，呂剛磊.基于ESP8266串口WiFi的智能插座關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)[J].河南科技，2019（8）：17-19.

[5]徐美霞，史道玲，王敏.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能溫控衣研制[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2020（1）：42-43.

[6]葛海江.基于HX711的高精度電子稱重研究[J].電子測(cè)試，2019（10）：31-32.

[7]王成剛，許翻凡.半導(dǎo)體制冷溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究[J].自動(dòng)化與儀表，2019（7）：15-17.

[8]張雪華，項(xiàng)雪琰.基于MQTT通信協(xié)議的智慧家居系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J].電子制作，2020（Z1）：37-38.