一種基于MQTT協(xié)議的實(shí)驗(yàn)室使用登記系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

陳儒敏，于 靜，張開金，李 澤，劉佳輝

（1.北京科技大學(xué)天津?qū)W院 信息工程學(xué)院，天津 301830；2.山東高圖測繪信息科技有限公司，山東 德州 253072）

0 引 言

隨著教育部對(duì)高等院校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的大力推進(jìn)，各高校也都針對(duì)性地設(shè)立或開放了一些創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)室，這些實(shí)驗(yàn)室在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神與應(yīng)用能力方面發(fā)揮著重要的作用[1]。對(duì)于信息化沒有全面覆蓋的高校，實(shí)驗(yàn)室使用登記一直是件令人頭疼的事情。傳統(tǒng)紙質(zhì)登記效率低，學(xué)生不愛填寫。直接購買現(xiàn)成的考勤機(jī)，除了成本因素外，還無法與現(xiàn)有系統(tǒng)兼容，后續(xù)還需要人工導(dǎo)出數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)，增加人力成本。

本設(shè)計(jì)基于ESP32平臺(tái)和MQTT協(xié)議設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)登記系統(tǒng)。系統(tǒng)分讀卡器終端和服務(wù)器端。讀卡器通過射頻卡讀取模塊讀取使用者校園卡、帶NFC功能的手環(huán)或手機(jī)的基本信息，將信息通過MQTT協(xié)議發(fā)送到服務(wù)器，接收程序通過服務(wù)器接收信息，存入數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室使用的自動(dòng)登記。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)讀卡器終端由ESP32主控模塊、射頻卡讀取模塊、顯示模塊、按鍵、RGB指示燈、蜂鳴電路和供電電路組成，硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。為最大程度利用現(xiàn)有模塊，同時(shí)降低調(diào)試難度和方便后續(xù)擴(kuò)展，將ESP32主控、供電單元、按鍵與蜂鳴器單元做成一塊主控板，留出接口，外接顯示模塊與射頻卡讀取模塊。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 主控板電路板電路設(shè)計(jì)

主控板包括ESP32主控的最小系統(tǒng)電路，作為整個(gè)系統(tǒng)供電的穩(wěn)壓電路以及按鍵與蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)電路。

1.1.1 ESP32最小系統(tǒng)

ESP32最小系統(tǒng)電路如圖2所示。主控采用樂鑫出品的ESP-WROOM-32模塊，該模塊自帶藍(lán)牙和WiFi功能，同時(shí)集成了天線開關(guān)、射頻Balun（平衡-非平衡轉(zhuǎn)換器）、功率放大器、低噪聲放大器、濾波器以及電源管理模塊[3]。最小系統(tǒng)電路主要是使該模塊能穩(wěn)定工作的最小電路，除了復(fù)位電路外，還留出了燒寫電路接口，當(dāng)需要燒寫時(shí)，將J1接口用短路帽短接，復(fù)位后進(jìn)入燒寫模式，再使用串口通過CN3燒寫程序即可。平時(shí)還可通過CN3與模塊進(jìn)行串口通信。

圖2 ESP32最小系統(tǒng)電路

1.1.2 供電電路設(shè)計(jì)

供電電路主要給整個(gè)系統(tǒng)提供電源，系統(tǒng)中的器件和模塊使用5 V和3.3 V兩種電壓。這里使用USB-C接口，通過5 V電源適配器直接提供5 V電壓，然后經(jīng)過穩(wěn)壓芯片AMS1117降為3.3 V供給需要的器件和模塊。供電電路如圖3所示。

圖3 供電電路

1.1.3 其他電路設(shè)計(jì)

為了后期可以進(jìn)行人機(jī)交互，系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩個(gè)按鍵，平時(shí)輸入為高電平，按下為低電平。RGB LED使用的是WS2812，可以使用一個(gè)引腳控制，這里主要用來指示系統(tǒng)的不同狀態(tài)，蜂鳴器電路用于讀卡成功指示。按鍵、RGB LED、蜂鳴器電路如圖4所示。系統(tǒng)的射頻卡、顯示屏和TF卡讀寫是獨(dú)立模塊，為此需要在主控板上留出接口，如圖5所示。

圖4 按鍵、RGB LED、蜂鳴器電路

圖5 接口電路

1.2 射頻卡讀取模塊

因?yàn)榇蟛糠值膽?yīng)用場景主要是用讀取校園卡的ID信息，考慮到成本因素，這里采用NXP 公司的RC522方案，其主要支持ISO/IEC 14443A和MIFARE通信協(xié)議，可以滿足要求。讀取模塊使用SPI接口與主控相連。為了滿足以后的擴(kuò)展要求，特別是讀取帶NFC功能的設(shè)備信息，還設(shè)計(jì)了PN532射頻方案的通信接口，其除了支持ISO/IEC 14443A/MIFARE，還支持ISO/IEC 14443B、ISO/IEC18092，ECM340、Felica等協(xié)議。主控板中留出了I2C接口與PN532模塊進(jìn)行通信。

1.3 TFT顯示和TF讀寫模塊

讀卡器終端使用2.0英寸TFT彩屏模塊顯示工作過程中的基本信息，其采用ILI9225芯片驅(qū)動(dòng)方案，最大可以支持176×220分辨率，262 144種顏色。模塊還帶有一個(gè)TF卡接口，這里用來連接TF卡，設(shè)備離線時(shí)可暫存信息。主控板使用EPS32的HSPI接口與ILI9225相連，使用普通SPI口與TF卡相連。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

讀卡器終端使用MQTT協(xié)議與服務(wù)器連接，傳送打卡信息。MQTT是一個(gè)輕量級(jí)的發(fā)布/訂閱模式的消息傳輸協(xié)議，是目前最流行的物聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議之一。協(xié)議的特點(diǎn)是輕巧、開放、簡單和規(guī)范，比較適合環(huán)境受限的機(jī)器與機(jī)器通信場景，在常見的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境也都有應(yīng)用[4]。硬件端軟件使用Arduino環(huán)境開發(fā)。

讀卡器終端軟件主要需要完成參數(shù)讀取、連接網(wǎng)絡(luò)、檢測卡片、信息顯示、向MQTT服務(wù)器發(fā)送打卡信息、OTA升級(jí)等功能。整體程序框架如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)工作整體流程

2.1 參數(shù)設(shè)置與讀取

針對(duì)不同的使用環(huán)境，其WiFi名稱（SSID）、密碼、設(shè)備MQTT主題等參數(shù)會(huì)不一樣，這里采用將參數(shù)先存入ESP32的E2PROM中，系統(tǒng)上電后讀取，再調(diào)用相關(guān)函數(shù)進(jìn)行初始化。E2PROM中參數(shù)格式包括讀卡器類型、WiFi名稱、WiFi密碼、MQTT服務(wù)器地址、服務(wù)器端口號(hào)、服務(wù)器賬號(hào)、服務(wù)器密碼、設(shè)備發(fā)布主題。其中讀卡器類型為1位，0表示RC522方案讀卡器，1表示PN532方案讀卡器。其余字段均不限定長度，但每個(gè)字段的頭兩位表示該字段所帶信息的位數(shù)，例如WiFi的名稱是8位，則該字段頭兩位應(yīng)該是08，后面再跟上WiFi名稱。程序中根據(jù)前面的字段以及位數(shù)信息依次推算出后續(xù)參數(shù)信息。

通過按鍵配合ESP32自帶的藍(lán)牙功能可以重新寫入上面的參數(shù)，這里是利用ESP32的藍(lán)牙串口功能。系統(tǒng)上電啟動(dòng)后，會(huì)檢測2號(hào)按鍵是否按下，如有按下則進(jìn)入該模式，可以用PC或手機(jī)連接設(shè)備藍(lán)牙，借助串口調(diào)試助手之類的工具對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

2.2 卡片檢測程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后連接網(wǎng)絡(luò)，如果沒有檢測到按鍵，則會(huì)接著初始化其他參數(shù)，然后進(jìn)入正常工作模式，主要包括讀取網(wǎng)絡(luò)時(shí)間，循環(huán)檢測是否有卡片，顯示屏及RGB燈信息顯示等。其程序流程如圖7所示。

圖7 讀卡器正常工作流程

這里會(huì)直接從NTP服務(wù)器讀取時(shí)間，該信息用于設(shè)置ESP32本身RTC時(shí)間，沒有網(wǎng)絡(luò)時(shí)可以將刷卡的時(shí)間信息暫存到TF卡中，網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后再發(fā)送回服務(wù)器。由于程序運(yùn)行較快，可能存在一張卡片多次讀取的情況，程序中設(shè)置了10 s左右的時(shí)間間隔，這段時(shí)間如果再次檢測到同一張卡片，則不記錄該卡片信息。

2.3 OTA功能設(shè)計(jì)

為方便后續(xù)升級(jí)，還設(shè)計(jì)了OTA（Over The Air），即空中下載功能，在程序初始化前按住按鍵1，聯(lián)網(wǎng)成功進(jìn)入OTA模式，并在顯示屏上顯示設(shè)備IP。通過1臺(tái)與該設(shè)備處于同一局域網(wǎng)下的PC機(jī)，使用瀏覽器對(duì)設(shè)備進(jìn)行固件升級(jí)。另外，主控板上還留有對(duì)ESP32的燒寫電路，在無法進(jìn)行OTA時(shí)使用。

2.4 服務(wù)器及數(shù)據(jù)記錄

系統(tǒng)使用MQTT協(xié)議進(jìn)行消息傳送，需要1臺(tái)MQTT服務(wù)器進(jìn)行消息轉(zhuǎn)發(fā)，可以使用百度、阿里云提供的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，也可在現(xiàn)有服務(wù)器上搭建一個(gè)MQTT服務(wù)。這里使用的開源程序?yàn)锳ctiveMQ，ActiveMQ是Apache基金會(huì)推出的消息中間件程序，可支持多種協(xié)議，包括MQTT協(xié)議。

數(shù)據(jù)的接收使用Python語言編寫，使用第三方庫PAHO-MQTT可以實(shí)現(xiàn)MQTT信息的訂閱、收取和發(fā)送。這里，Python腳本會(huì)在啟動(dòng)后訂閱每臺(tái)設(shè)備的主題，然后在后臺(tái)監(jiān)控消息，將傳遞過來的消息內(nèi)容加上接收日期和時(shí)間一起記錄在數(shù)據(jù)庫中。

3 功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的實(shí)物包括主控板的PCB設(shè)計(jì)與電路設(shè)計(jì)，PCB的設(shè)計(jì)圖如圖8所示，實(shí)物如圖9所示。

圖8 主控板PCB圖

圖9 實(shí)物

設(shè)置好MQTT服務(wù)器后，使用MQTT.fx軟件訂閱讀卡器的主題，然后刷卡測試，軟件端收到消息以及顯示屏顯示內(nèi)容如圖10所示。

圖10 讀卡器運(yùn)行狀態(tài)圖

服務(wù)器端接收腳本后會(huì)存入數(shù)據(jù)庫，程序調(diào)試輸出與數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)如圖11所示。

圖11 數(shù)據(jù)庫信息

4 結(jié) 語

實(shí)驗(yàn)室使用登記是實(shí)驗(yàn)室管理的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。本文基于MQTT協(xié)議與ESP32平臺(tái)設(shè)計(jì)了一種實(shí)驗(yàn)室登記系統(tǒng)，完成了系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)、讀卡器實(shí)物制作，編寫了相應(yīng)的硬件控制程序、接收程序，并搭建了服務(wù)器。經(jīng)驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)規(guī)定功能，自動(dòng)完成實(shí)驗(yàn)室使用登記工作。