基于ESP8266的物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

薛迪杰

（江西理工大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院，江西南昌，330013）

0 引言

近年來(lái),一種全新的網(wǎng)絡(luò)—物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)隨著網(wǎng)絡(luò)電子技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)在公眾面前。作為互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的另一個(gè)拓展，物聯(lián)網(wǎng)很快被人們接受，并融入了人們生活、生產(chǎn)的方方面面[1]。在過(guò)去互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代,現(xiàn)實(shí)生活中的很多信息在網(wǎng)絡(luò)上很難被感知和傳輸，然而物聯(lián)網(wǎng)的到來(lái)卻改變了這一現(xiàn)狀，并將用戶端延伸并擴(kuò)展到了任何物體與物體之間的信息互換和交流,于是互聯(lián)網(wǎng)將世界萬(wàn)物組成了一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)。本文介紹了一種基于ESP8266的物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，利用ESP8266模塊將傳感器設(shè)備、控制設(shè)備和檢測(cè)設(shè)備等接入了互聯(lián)網(wǎng)。本遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)利用STM32F103C8T6單片機(jī)作為主控制器，利用STM32F103C8T6單片機(jī)高速的數(shù)據(jù)處理能力和豐富的片上資源，可以完美驅(qū)動(dòng)OLED屏幕，兼容ESP8266WIFI模塊和各種傳感器，并可解決傳輸速度問(wèn)題[2]。本設(shè)計(jì)完成后，用戶通過(guò)手機(jī)中安裝的APP可以隨時(shí)隨地的進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，如：監(jiān)測(cè)固定區(qū)域中PM2.5濃度，家中門(mén)窗是否關(guān)閉，家中天然氣濃度等，并且可以對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制；本設(shè)計(jì)系統(tǒng)只要在有互聯(lián)網(wǎng)的地方均可工作，無(wú)論距離多遠(yuǎn)，甚至在地球的另一端也能輕松的進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制。

1 系統(tǒng)工作過(guò)程

系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制，首先必須在互聯(lián)網(wǎng)上建立一個(gè)服務(wù)器。本系統(tǒng)直接選用互聯(lián)網(wǎng)上已經(jīng)建好的貝殼物聯(lián)云端服務(wù)器，主要優(yōu)點(diǎn)是方便快捷，無(wú)需自己再重新創(chuàng)建私人的服務(wù)器。其次對(duì)手機(jī)端進(jìn)行配置，在手機(jī)上創(chuàng)建APP，并根據(jù)貝殼物聯(lián)云端服務(wù)器對(duì)手機(jī)中APP進(jìn)行配置，使得手機(jī)與服務(wù)器建立起TCP連接。然后對(duì)終端物聯(lián)網(wǎng)ESP8266模塊進(jìn)行配置，并使其也與云端服務(wù)器建立起TCP長(zhǎng)連接[3]。

手機(jī)端和物聯(lián)網(wǎng)終端分別與云端服務(wù)器建立好連接后，接下來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)收測(cè)試。在手機(jī)端使用JSON數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)通信發(fā)送數(shù)據(jù)到服務(wù)器，服務(wù)器在接收到數(shù)據(jù)后，會(huì)把接收到的數(shù)據(jù)再轉(zhuǎn)發(fā)給終端物聯(lián)網(wǎng)控制和監(jiān)測(cè)模塊。終端接收數(shù)據(jù)如果和發(fā)送數(shù)據(jù)一致，則通信正常。

然后在物聯(lián)網(wǎng)控制和監(jiān)測(cè)模塊終端利用STM32F103 C8T6單片機(jī)控制ESP8266模塊發(fā)送數(shù)據(jù)到云端服務(wù)器，云端服務(wù)器在接收到數(shù)據(jù)后，將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至手機(jī)APP端，在手機(jī)終端APP上顯示。如果發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)一致，則通信正常。

系統(tǒng)利用云端服務(wù)器作為互聯(lián)網(wǎng)中間媒介，實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP和物聯(lián)網(wǎng)終端互聯(lián)互通，從而完成數(shù)據(jù)傳輸，遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)通過(guò)ESP8266 WIFI模塊與互聯(lián)網(wǎng)連接，每個(gè)模塊均有獨(dú)立的設(shè)備ID及獨(dú)立的數(shù)據(jù)傳輸接口，數(shù)據(jù)傳輸接口數(shù)量可以在貝殼物聯(lián)官網(wǎng)自行添加或刪除。本系統(tǒng)在開(kāi)機(jī)之后輸入需要連接的WIFI賬號(hào)及密碼，連接上網(wǎng)絡(luò)之后，各個(gè)設(shè)備開(kāi)始工作，各個(gè)分設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將需要采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)設(shè)備上，用戶也可通過(guò)手機(jī)APP控制相應(yīng)的設(shè)備，云端下傳到設(shè)備的數(shù)據(jù)通過(guò)CJson解碼，把需要的數(shù)據(jù)解析出來(lái)以用作控制相應(yīng)的設(shè)備。系統(tǒng)在無(wú)人干預(yù)狀態(tài)下根據(jù)環(huán)境中天然氣含量判斷是否天然氣泄漏，如果檢測(cè)出天然氣泄漏，設(shè)備可自動(dòng)關(guān)閉天然氣開(kāi)關(guān)并向用戶發(fā)送天然氣泄漏信息。也可自主檢測(cè)環(huán)境溫濕度，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)設(shè)備自主打開(kāi)空調(diào)開(kāi)關(guān)，當(dāng)濕度過(guò)高或過(guò)低時(shí)，設(shè)備自主打開(kāi)除濕機(jī)或霧化器，超過(guò)設(shè)定警報(bào)值主機(jī)設(shè)備通過(guò)語(yǔ)音自主播報(bào)。

本系統(tǒng)以貝殼物聯(lián)為中心，可根據(jù)官網(wǎng)上的貝殼物聯(lián)平臺(tái)通信協(xié)議連接云平臺(tái)。貝殼物聯(lián)云平臺(tái)提供的通信協(xié)議有TCP、UDP、HTTP、Websocket四種通信協(xié)議，本系統(tǒng)采用的是TCP協(xié)議。用戶可通過(guò)瀏覽器登陸官網(wǎng)、下載官方APP、建立微信通信協(xié)議及自行開(kāi)發(fā)APP四種方式與云端進(jìn)行連接，并傳遞數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)終端硬件設(shè)備主要以意法半導(dǎo)體的STM32F1系列芯片為主，通過(guò)ESP8266網(wǎng)絡(luò)模塊及其他外圍電路與云端進(jìn)行連接，把主控單片機(jī)通過(guò)傳感器采集處理過(guò)的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)模塊發(fā)向云端，通信數(shù)據(jù)格式為Json字符串，設(shè)備通過(guò)解碼獲得Json字符串中相應(yīng)的鍵值。該系統(tǒng)以接口層用戶、中間層服務(wù)器及控制層設(shè)備組成一套基于ESP8266為基礎(chǔ)的遠(yuǎn)程控制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)?？傁到y(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 總系統(tǒng)原理框圖

3 系統(tǒng)硬件部分

本系統(tǒng)硬件部分由STM32F103C8T6單片機(jī)構(gòu)成主控，完成主要的傳感器數(shù)據(jù)處理，控制信號(hào)的產(chǎn)生以及控制語(yǔ)音模塊完成語(yǔ)音提示，并通過(guò)串口向ESP8266WIFI模塊發(fā)送AT指令控制其連接AP，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與云端之間的通信。云端服務(wù)器與手機(jī)移動(dòng)端APP的連接，把數(shù)據(jù)和相應(yīng)設(shè)備上的傳感器感知的數(shù)據(jù)在移動(dòng)端顯示出來(lái)。如：當(dāng)家里沒(méi)人時(shí)可通過(guò)濕度傳感器檢測(cè)綠植是否需要澆水，需要澆水時(shí)可通過(guò)APP的控制小水泵對(duì)綠植進(jìn)行澆水，類(lèi)似的也可控制室內(nèi)溫度，控制門(mén)窗等。系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

■3.1 STM32F103C8T6主控芯片

作為各個(gè)控制和檢測(cè)外設(shè)模塊的核心，主控芯片用來(lái)處理傳感器的數(shù)據(jù)和發(fā)送網(wǎng)絡(luò)模塊的控制信號(hào)。主控芯片具備高性能，低功耗的特點(diǎn)，其內(nèi)部Cortex?-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率最高可達(dá)到72MHz，使用時(shí)可用內(nèi)部分頻器生成自己需要的相應(yīng)頻率，內(nèi)置高達(dá)64K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM，無(wú)需外擴(kuò)存儲(chǔ)器，芯片具有充裕的I/O接口，方便用戶連接外設(shè)，并且還支持連接APB總線。STM32處理器具有睡眠模式、停機(jī)模式、待機(jī)模式三種低功耗模式，單片機(jī)在低功耗狀態(tài)下喚醒時(shí)間可以達(dá)到微秒級(jí)[4]。ST意法半導(dǎo)體公司為單片機(jī)提供了豐富的庫(kù)函數(shù)，用戶在使用時(shí)，可以方便靈活的調(diào)用相關(guān)庫(kù)函數(shù)和片上資源，大大提高了開(kāi)發(fā)效率，縮短了開(kāi)發(fā)周期。本設(shè)計(jì)中采用AT指令對(duì)ESP8266WIFI模塊進(jìn)行控制聯(lián)網(wǎng)時(shí)，主要用到主控制芯片中的UART串口通信，主控制芯片UART串口多達(dá)3個(gè)，完全滿足每個(gè)設(shè)備的需求（系統(tǒng)所需最多3個(gè)串口，OLED顯示屏幕使用內(nèi)置SPI資源）。系統(tǒng)主控STM32芯片使用方便、內(nèi)部資源豐富、性價(jià)比高，非常適合作為本設(shè)計(jì)的主控芯片。

■3.2 ESP8266WIFI模塊

該模塊的處理器為樂(lè)鑫公司研發(fā)的專用于物聯(lián)網(wǎng)的一款芯片。用戶可以使用該WIFI模塊為現(xiàn)有的設(shè)備添加聯(lián)網(wǎng)功能，也可以夠構(gòu)建獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)控制器[5]。該模塊供電范圍為3.0V～3.6V,供電電流需大于500mA。在給該模塊供電時(shí)，電源端需添加濾波電容，保證供電電壓的穩(wěn)定性，供電接口處連接到3.3V的穩(wěn)壓電路上，通信時(shí)必須保證電壓穩(wěn)定，不然容易造成設(shè)備與云端出現(xiàn)斷連的情況。在檢測(cè)溫度的設(shè)備上，系統(tǒng)將溫度傳感器與網(wǎng)絡(luò)模塊分開(kāi)布置，并且給網(wǎng)絡(luò)模塊安裝散熱器或開(kāi)啟低功耗模式，避免該模塊運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生大量的熱量。如果不采取相應(yīng)處理措施，會(huì)造成傳感器測(cè)量誤差加大，導(dǎo)致檢測(cè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。ESP8266模塊電路原理圖如圖3所示。

圖3 ESP8266模塊電路原理圖

■3.3 OLED顯示屏模塊

本系統(tǒng)選用0.96寸的OLED顯示屏作為顯示部件。該模塊具有無(wú)需背光、視角范圍廣、對(duì)比度高、低能耗、刷新反應(yīng)速度快、全彩化高等優(yōu)點(diǎn)。此模塊具有SPI通信接口，可以搭配主控單片機(jī)的SPI接口，從而節(jié)省主控制芯片I/O口；此外低耗電及高對(duì)比度不僅可以節(jié)能，更增加了可視化界面美觀性。結(jié)合主控制器的片上資源和該顯示屏的優(yōu)點(diǎn)，選用該OLED作為顯示模塊。

■3.4 編碼器電路

編碼器電路作為輸入電路，用來(lái)修改所需要登陸的WIFI賬號(hào)和密碼，由于WIFI賬號(hào)和密碼多為英文字母和數(shù)字組成，所以事先在控制芯片中保存了26英文字母（可選擇大小寫(xiě)）和0-9的數(shù)字，通過(guò)編碼器作為外部輸入設(shè)備來(lái)修改物聯(lián)網(wǎng)終端需要連接的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。因?yàn)檩斎氲男畔⑤^多，而STM32F103C8T6控制芯片的I/O有限，為了不占用主控單片機(jī)過(guò)多的I/0口，因此放棄使用矩陣鍵盤(pán)的輸入方式，改用編碼器選擇顯示屏的數(shù)據(jù)輸入方式，這樣能節(jié)省鍵盤(pán)掃描方式占用的I/O口，為外接其他設(shè)備保留更多的I/O接口。

■3.5 語(yǔ)音播報(bào)模塊

本設(shè)計(jì)為了體現(xiàn)人性化設(shè)計(jì)，還加入了語(yǔ)音播報(bào)模塊，系統(tǒng)采用國(guó)外開(kāi)源DFPlayer Mini MP3 Player mini音樂(lè)播放器模塊。每個(gè)外圍設(shè)備預(yù)先合成一種播報(bào)語(yǔ)音儲(chǔ)存在TF卡中，根據(jù)主控單片機(jī)芯片的計(jì)算與處理選擇相應(yīng)需要播報(bào)的音頻，控制芯片通過(guò)簡(jiǎn)單的UART接收指令即可完成播放指定的播報(bào)音頻，音量大小可通過(guò)外圍設(shè)計(jì)功率放大器和調(diào)節(jié)器件，完成音量大小的調(diào)節(jié)。

■3.6 傳感器模塊

傳感器模塊部分設(shè)計(jì)為可拆卸替換模塊，不同用戶可以根據(jù)所需要檢測(cè)和控制的對(duì)象靈活進(jìn)行更換，電路只要少許改變，源代碼稍作修改就可以變換不同的檢測(cè)傳感器模塊，從而對(duì)不同檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行測(cè)量。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)可測(cè)量對(duì)象包括環(huán)境溫濕度、空氣PM2.5、環(huán)境亮暗度、光照強(qiáng)度、甲烷含量、漏水等測(cè)量對(duì)象。各個(gè)模塊可以相互替換，這種設(shè)計(jì)可以大大縮短PCB制版的時(shí)間。

■3.7 控制模塊

控制模塊采用單片機(jī)控制繼電器的方式構(gòu)成控制電路，在繼電器與I/O口之間添加光耦進(jìn)行隔離，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。繼電器的控制端主要由物聯(lián)網(wǎng)終端主控單片機(jī)參照相關(guān)指令進(jìn)行控制，繼電器的負(fù)載端用來(lái)連接相應(yīng)的用電設(shè)備，如空調(diào)、加濕器、水泵等。

4 系統(tǒng)軟件部分

系統(tǒng)軟件部分主要由網(wǎng)絡(luò)模塊聯(lián)網(wǎng)、OLED顯示、編碼器讀取、語(yǔ)音播報(bào)、傳感器讀取、外圍設(shè)備控制幾個(gè)程序模塊組成，程序開(kāi)始后先要對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入監(jiān)測(cè)控制程序，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制被測(cè)對(duì)象，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和控制部分程序流程圖如圖4所示。

系統(tǒng)程序開(kāi)始運(yùn)行后，需要先對(duì)ESP8266WiFi模塊進(jìn)行初始化，先對(duì)WiFi模塊復(fù)位重啟，然后設(shè)置成AP工作模式，并啟動(dòng)多連接，最后設(shè)置開(kāi)啟服務(wù)器模式。WiFi模塊的波特率設(shè)置9600，和單片機(jī)串口連接，并保持一致。WiFi模塊初始化函數(shù)如下：

圖4 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和控制部分程序流程圖

Void WIFI_Init(void)

{

ES = 0;

TI = 1;

printf(“AT+RST ”);

LED();

ms_delay(1000) ;

printf(“AT+CWMODE=3 ”);

LED();

ms_delay(1000) ;

printf(“AT+CIPMUX=1 ”);

LED();

ms_delay(1000) ;

printf(“AT+CIPSERVER=1,8080 ”);

LED();

ms_delay(1000) ;

printf("AT+CIOBAUD=9600 ");

// 設(shè)置與單片機(jī)一致的波特率

LED();

ms_delay(1000) ;

while(!TI);

TI = 0;

ES = 1;

}

5 系統(tǒng)測(cè)試及運(yùn)行結(jié)果

安裝調(diào)試好系統(tǒng)后，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試。在傳感器模塊裝上溫濕度檢測(cè)傳感器，并將繼電器負(fù)載接上空調(diào)和加濕器，分別進(jìn)行制冷和加濕控制。系統(tǒng)開(kāi)機(jī)運(yùn)行后，可以實(shí)時(shí)在手機(jī)APP上看到室內(nèi)溫度和濕度。測(cè)試手機(jī)APP在異地登錄控制系統(tǒng)，通過(guò)連上互聯(lián)網(wǎng)的手機(jī)可以遠(yuǎn)程控制空調(diào)和加濕器的開(kāi)啟和關(guān)閉，完全不受地理位置的限制，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)手機(jī)APP端運(yùn)行界面如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)手機(jī)APP端運(yùn)行界面

6 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多次測(cè)試與運(yùn)行，不斷改進(jìn)以及不斷優(yōu)化程序，目前已經(jīng)可以穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)可顯示數(shù)據(jù)波形圖，PC端可以與移動(dòng)設(shè)備端同時(shí)在線控制，并且可以在此基礎(chǔ)上添加其他傳感器。系統(tǒng)在運(yùn)行中，使用AT指令編程，通過(guò)串口通信控制WIFI模塊，通信數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)安全加密。本系統(tǒng)外圍傳感器模塊目前已設(shè)置有PM2.5檢測(cè)電路、甲烷檢測(cè)電路、溫濕度檢測(cè)電路、門(mén)窗控制電路。測(cè)試表明，整個(gè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，控制便捷，同時(shí)系統(tǒng)電路易于維護(hù)，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。此外，整套系統(tǒng)成本較低，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，適合推廣。本系統(tǒng)還可以進(jìn)一步加強(qiáng)其功能，將原有的AT配網(wǎng)更改為移動(dòng)設(shè)備配網(wǎng)，開(kāi)發(fā)方式由AT指令開(kāi)發(fā)更改為SDK固件包開(kāi)發(fā)，這樣系統(tǒng)可以節(jié)省外接單片機(jī)的成本且同樣能滿足系統(tǒng)需求。