基于WiFi智能小車的遠程溫濕度測量系統(tǒng)

劉靜琦，阮煜婕，吳 勝，時 飛，周振虎，劉靜波

（南京工程學院，江蘇 南京 211167）

0 引 言

溫濕度是倉儲場所的重要環(huán)境參數(shù)，對溫濕度的測量一般選用傳感器進行單點靜態(tài)測量[1]，或在某一個區(qū)域內(nèi)布置多個節(jié)點，采用無線網(wǎng)絡方式實現(xiàn)多點溫濕度測量[2]，也有采用一組總線下掛載多個傳感器進行測量的方式[3]。這些方法運行成本高，測量點布置工作量大，有線測量方式后期維護改造困難，無線組網(wǎng)多點方式則需要配置若干個無線組網(wǎng)模塊與處理器單元，特別是測量點數(shù)較多時，造價較高。因此，本系統(tǒng)采用WiFi智能小車作為載具，搭載溫濕度傳感器，遠程控制小車運行，可實時測量數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)遠程傳輸至OneNET云平臺。系統(tǒng)具備遠程與超聲波避障兩種運行模式，可實現(xiàn)對倉儲場所動態(tài)多點循環(huán)測量，把傳統(tǒng)靜態(tài)測量轉(zhuǎn)變?yōu)橐欢ǚ秶鷥?nèi)的多點動態(tài)測量。系統(tǒng)選用OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺，使小車具備遠程控制與數(shù)據(jù)測量傳輸功能[4]，拓寬其應用范圍。

1 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)由智能小車部分及OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺控制和數(shù)據(jù)傳輸部分組成。

智能小車部分采用STM32F103RCT6作為主控，借助溫濕度傳感器HDC1080測量溫濕度數(shù)據(jù)。小車組件包括底盤、電機和車輪等。電機驅(qū)動采用L298N模塊，超聲波模塊安裝于舵機控制單元，實現(xiàn)左、中、右三個方向的避障距離測量。智能小車與云平臺之間通過ESP8266模塊實現(xiàn)遠程控制與數(shù)據(jù)傳輸。

OneNET是較成熟的物聯(lián)網(wǎng)云平臺，本系統(tǒng)采用OneNET云平臺提供的網(wǎng)頁應用控件、命令下發(fā)控件等實現(xiàn)了數(shù)據(jù)接收和遠程指令下發(fā)等應用。通過網(wǎng)頁端和手機APP端的同步應用，可快速方便地構(gòu)建遠程、移動多點智能小車溫濕度測量系統(tǒng)。系統(tǒng)運行時，智能小車在遠程指令的控制下，實現(xiàn)前進、后退、轉(zhuǎn)彎，同時還會測量溫濕度數(shù)據(jù)，并以間隔5 s的時間傳輸至云平臺，網(wǎng)頁和手機APP接收數(shù)據(jù)。小車動態(tài)運行，對倉儲場所實現(xiàn)多點測量。通過發(fā)送指令，可以將小車切換為超聲波避障模式，還可優(yōu)化避障程序，使小車具有更好的適應性。圖1所示為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 硬件設計

2.1 OneNET云平臺

OneNET是中國移動推出的物聯(lián)網(wǎng)開放平臺，該平臺屏蔽了復雜的技術細節(jié)，提供多種協(xié)議類型，支持多種智能硬件的接入和大數(shù)據(jù)服務。用戶按照OneNET云平臺的規(guī)范接入平臺，上傳數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與存儲管理功能，同時平臺還支持MQTT、EDP、HTTP等接入?yún)f(xié)議[5]。用戶在官網(wǎng)注冊賬號后即可進入云平臺創(chuàng)建項目。數(shù)據(jù)上傳完成后，用戶可以在網(wǎng)頁和手機APP端查看數(shù)據(jù)和對應的變化曲線，也可以下發(fā)控制指令，控制智能設備的運行。系統(tǒng)硬件接口電路如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件接口電路

2.2 硬件設計

針對智能小車的分層結(jié)構(gòu)，硬件設計采取模塊化設計方法。智能小車系統(tǒng)硬件分為微控制器主控單元、四驅(qū)電機驅(qū)動模塊、舵機模塊、超聲波單元模塊、溫濕度測量模塊和WiFi模塊。圖2表示了各單元與主控單元的連接，根據(jù)不同模塊的應用特點，合理分配主控單元的外設資源，實現(xiàn)對智能小車的硬件資源配置。

智能小車微控制器采用STM32F103RCT6，這是基于Cortex-M3架構(gòu)的高性能處理器[6]，主頻達72 MHz，具備48 KB SRAM，256 KB FLASH，2個基本定時器，4個通用定時器，2個高級定時器，5個串口及51個通用I/O口，同時還具有ADC、SPI、DMA控制器等資源，滿足了智能小車的應用需求。高級定時器TIME8有4個通道（CH1～CH4）的PWM波形輸出，非常適用于智能小車的四輪驅(qū)動速度控制。此外，STM32F103RCT6其他定時器也為舵機驅(qū)動和超聲波信號的產(chǎn)生奠定了基礎。

ESP8266是一款高集成度的WiFi模塊，其本身是一個32位的MCU單元，可以獨立訪問網(wǎng)絡，也可以搭配其他主控芯片，幫助主控芯片接入互聯(lián)網(wǎng)[7]。ESP8266提供串口與主控芯片進行數(shù)據(jù)交換。ESP8266允許配置為熱點（AP）、客戶端（STA），熱點+客戶端（AP+STA）等三種模式，本系統(tǒng)把ESP8266配置為STA模式，連接主控芯片的串口2。該模塊通過路由器接入網(wǎng)絡，實現(xiàn)遠程控制與數(shù)據(jù)傳輸。

小車車輪電機驅(qū)動采用L298N模塊，內(nèi)含兩組雙H橋驅(qū)動器，每個L298N模塊可以驅(qū)動兩組電機，電機驅(qū)動的輸入信號由使能端EN，輸入端IN1和IN2組成。EN端一般接入主控輸出的PWM波形，控制電機的轉(zhuǎn)速，IN1和IN2接主控的2個I/O口，控制電機的正反轉(zhuǎn)。因此，選擇TIME8高級定時器的CH1～CH4通道配置4個PWM波形，PC6～PC9分別接入L298N四組EN端，電機正反轉(zhuǎn)信號接到主控芯片的I/O端口，如圖2表示。舵機接入PA8，這是TIME1的CH1通道輸出接口，輸出PWM波形控制舵機的運行。

HDC1080溫濕度傳感器具有高精度、低功耗等特點，可同時進行溫度與濕度測量，溫度精度為±0.2℃，濕度精度為±2%，采用I2C總線方式與主控芯片連接，SDA和SCL分別接主控芯片的PB11和PB10，其設備地址為0x80（寫）和0x81（讀）。

3 軟件設計

3.1 數(shù)據(jù)流

智能小車與OneNET間通過MQTT協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，該協(xié)議支持數(shù)據(jù)雙向傳輸，實時性高，具有長時間穩(wěn)定連接等優(yōu)點[8]，是為物聯(lián)網(wǎng)場景而設計的基于TCP的一種輕量級發(fā)布／訂閱消息傳輸協(xié)議?？捎糜谟嬎隳芰τ邢?，低帶寬且不可靠的網(wǎng)絡遠程傳感器和控制設備[9]。設備登錄OneNET平臺后，選擇在此協(xié)議下創(chuàng)建“智能小車”產(chǎn)品，添加設備后，對智能小車的數(shù)據(jù)流進行規(guī)劃。數(shù)據(jù)流是設備屬性，可為設備單項數(shù)據(jù)屬性，也可為設備屬性的組合。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)流根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸方向分為兩類：

（1）上行數(shù)據(jù)流，即智能小車測量的數(shù)據(jù)，主要包括連接于主控芯片I2C接口上的溫濕度傳感器HDC1080測得的溫度和濕度數(shù)據(jù)。

（2）下行數(shù)據(jù)流，即網(wǎng)頁和手機APP端發(fā)出的控制指令，通過OneNET云平臺發(fā)送給智能小車，控制小車的運行。包括前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止，以及運行模式的改變。這些數(shù)據(jù)流封裝為完整的數(shù)據(jù)包，通過ESP8266發(fā)送至OneNET云平臺。OneNET為數(shù)據(jù)流的封裝提供了多種形式，本系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)類型3（TYPE=3，JSON格式）模式。

3.2 主程序設計

程序首先對智能小車系統(tǒng)各模塊初始化，包括串口初始化、溫濕度傳感器I2C接口初始化、電機和舵機端口初始化、電機和舵機PWM波初始化。之后，經(jīng)串口2發(fā)送AT指令給ESP8266模塊，設置ESP8266為STA模式，連接WiFi后，等待接收OneNET云平臺的回應信號，確認連接OneNET服務器。程序按照MQTT協(xié)議TYPE3格式對數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)進行封裝，每5 s便將測量的溫濕度數(shù)據(jù)傳輸至云平臺，同時對接收的云平臺控制指令進行解析并執(zhí)行，控制小車運行。當接收到小車運行模式改變?yōu)槌暡ū苷夏Ｊ降闹噶詈?，智能小車?zhí)行避障程序。系統(tǒng)主流程如圖3所示，數(shù)據(jù)解析流程如圖4所示，超聲波避障流程如圖5所示。

圖3 系統(tǒng)主流程

圖4 接收數(shù)據(jù)解析流程

圖5 超聲波避障流程

3.3 HDC1080測量程序

HDC1080的測量數(shù)據(jù)程序按照I2C協(xié)議編寫。測量函數(shù)為u8 Measure_Hdc1080（u8 mode，u16 *temp_value，u16 *humi_value），在調(diào)用此函數(shù)時，mode為模式參數(shù)，mode=0x00時表示轉(zhuǎn)換開始。

完整測量溫濕度的過程：啟動總線、發(fā)送設備寫地址0x80、檢測器件應答是否正常、發(fā)送觸發(fā)測量命令字（mode）、檢測器件應答是否正常、重新啟動總線、發(fā)送設備讀地址0x81、檢測器件應答正否正常、讀高8位溫度字節(jié)、主機應答、讀低8位溫度字節(jié)、主機應答、讀高8位濕度字節(jié)、主機應答、讀低8位濕度字節(jié)、主機非應答、結(jié)束總線，最后把讀取的字節(jié)組合為完整的溫度*temp_value和濕度*humi_value。溫濕度字節(jié)數(shù)據(jù)讀取后，可以得到實際溫濕度數(shù)值，具體代碼和注釋（wendu和shidu是全局變量，用于存放讀取的溫濕度數(shù)據(jù)）如下所示：

3.4 可視化用戶應用界面設計

OneNET平臺為用戶提供了數(shù)據(jù)可視化應用，用戶可通過OneNET提供的可視化工具[10]，根據(jù)自身需求設計用戶操作界面。OneNET創(chuàng)建的產(chǎn)品含有應用管理編輯功能，用戶可將儀表盤、折線圖、開關、命令框等控件拖拽至頁面，對每個控件的屬性和樣式進行編輯，特別是對屬性中的數(shù)據(jù)流刷新頻率、數(shù)值設置等進行配置?？丶c數(shù)據(jù)流建立關聯(lián)，待產(chǎn)品創(chuàng)建完成后保存并發(fā)布，用戶就可在網(wǎng)頁和手機APP端訪問OneNET平臺，接收數(shù)據(jù)并發(fā)送控制指令。本系統(tǒng)創(chuàng)建的可視化應用網(wǎng)頁端界面和手機APP端界面分別如圖6和圖7所示。

圖6 網(wǎng)頁端可視化界面

圖7 手機APP端可視化界面

4 實際測試

智能小車的軟硬件系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試，搭建完成后，打開OneNET網(wǎng)頁端和手機APP端進行聯(lián)合運行，小車通過WiFi連接，登錄OneNET云平臺即可看到設備由離線狀態(tài)轉(zhuǎn)為在線狀態(tài)。此時，小車將測量的溫濕度數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)頁端和手機APP端。

智能小車的模式選擇由“模式選擇”開關控制，每按一次開關，智能小車切換一次運行模式。系統(tǒng)開機后，默認為遠程控制模式。當切換到超聲波避障模式時，小車在舵機的控制下，分別測量左、中、右三個方向是否有障礙物，并測量相應的距離，按照最優(yōu)程序方法選擇避開障礙。測試結(jié)果表明，傳感器采集數(shù)據(jù)準確，網(wǎng)頁和手機APP控制端運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)接收和指令下發(fā)功能正常?？梢暬缑婵捎墒褂谜咦孕芯庉?、設計、發(fā)布，內(nèi)容簡潔，顯示效果良好。

5 結(jié) 語

本系統(tǒng)在智能小車上搭載溫濕度傳感器HDC1080測量數(shù)據(jù)，通過ESP8266上傳數(shù)據(jù)到OneNET云平臺，構(gòu)建了遠程多點、可移動的溫濕度測量系統(tǒng)。通過OneNET云平臺創(chuàng)建了可視化應用界面，使得數(shù)據(jù)接收和下發(fā)控制指令的遠程控制變得簡單易操作。系統(tǒng)運行穩(wěn)定，功能正常，可適用于不同的場合。