基于S TM32的家庭互聯(lián)網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

盧偉

摘要：本設(shè)計(jì)為家庭互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)STM32單片機(jī)讀取溫濕度傳感器溫濕度、二氧化碳濃度傳感器參數(shù)，有毒氣體數(shù)據(jù)、光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)的檢測(cè)家庭廚房的環(huán)境參數(shù)，防止因忘記關(guān)燃?xì)庠罨蛘呷細(xì)庑孤?dǎo)致的人員傷亡或者火災(zāi)發(fā)生。并通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)模塊，實(shí)時(shí)的將告警信息上傳到阿里云，以便不在家時(shí)也可以實(shí)時(shí)的觀察到，有效地防止災(zāi)難發(fā)生。

關(guān)鍵詞：STM32單片機(jī);環(huán)境監(jiān)測(cè);物聯(lián)網(wǎng)

近年來(lái)，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的家用電器進(jìn)入人們的生活當(dāng)中，成為日常工作生活的不可或缺的一部分;相應(yīng)的各種功能的家用廚房電器也逐漸被廣泛使用。廚房電器的增加給人們的生活帶來(lái)便捷，但也不可避免的引發(fā)不少安全隱患。煤氣中毒、火災(zāi)等安全事件時(shí)有發(fā)生，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)通過(guò)多種傳感器檢測(cè)廚房各種參數(shù)，并把相應(yīng)信息通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)模塊遠(yuǎn)程傳送給用戶，避免災(zāi)難發(fā)生。

1整體設(shè)計(jì)

基于STM32的家庭互聯(lián)網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)采用STM32F 103CBT6E單片機(jī)作為控制中心，通過(guò)多個(gè)傳感器讀取廚房環(huán)境中的溫度濕度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度、有毒氣體濃度等參數(shù)，并將取得的數(shù)據(jù)值傳遞給單片機(jī)進(jìn)行判斷，當(dāng)超過(guò)閾值后，可通過(guò)NB-IoT（ Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯(lián)網(wǎng)）網(wǎng)絡(luò)模塊上傳警告信息，用戶不在家也可迅速接收警告信息，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控的效果。其中NB-IoT平臺(tái)與阿里云服務(wù)器通信過(guò)程為平臺(tái)向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求，并將數(shù)據(jù)以JSON形式封裝后通過(guò)HTTP的GET/POST請(qǐng)求與云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)警告信息的傳送。具體硬件電路示意圖如下圖1所示。

2硬件電路組成

2.1STM32F103單片機(jī)

STM32F103系列單片機(jī)是目前市場(chǎng)上常用的32位嵌入式處理器，內(nèi)核采用ARM Cortex? RISC內(nèi)核，工作頻率支持72 MHZ，支持閃存和SRAM。 STM32F103CBT6單片機(jī)標(biāo)稱工作電壓為直流3.5 V，-40-+85。的溫度范圍和-40-+105。的擴(kuò)展溫度范圍使得STM32F103單片機(jī)廣泛應(yīng)用于工控領(lǐng)域，豐富的 USB、I2C、SPI、CAN總線通信方式使得STM32103F 系列單片機(jī)廣泛使用在醫(yī)療、工業(yè)應(yīng)用、智能家電、智慧農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。

2.2NB-IoT聯(lián)網(wǎng)模塊

NB-IoT[21構(gòu)建于窄帶（200 kHz）的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，在優(yōu)化LTE通信協(xié)議和信令、向用戶分組添加傳輸信息、以空閑狀態(tài)發(fā)送分組的情況下，不需要業(yè)務(wù)請(qǐng)求即可建立直接連接來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。NB-INT采用了覆蓋強(qiáng)化技術(shù)，在相同頻率下比現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)增益提高了20 dB，即覆蓋能力提高了100倍。支持大容量的接入設(shè)備，支持低延遲靈敏度，并且直接部署在諸如GSM網(wǎng)絡(luò)、LTE 網(wǎng)絡(luò)或UMTS網(wǎng)絡(luò)之類的現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)中，以實(shí)現(xiàn)超低成本的平滑升級(jí)。模塊具有低功率消耗的特征，在省電模式下功率消耗為3.6A，終端的待機(jī)時(shí)間更長(zhǎng)，模塊的成本低。本設(shè)計(jì)中NB-IoT網(wǎng)絡(luò)模塊采用BC26網(wǎng)絡(luò)模塊。該模塊是高性能、低功耗、多頻帶LTE Cat NB1/Cat NB2*無(wú)線通信模塊。BC26模塊尺寸緊湊，外部接口和協(xié)議棧豐富，適用于高內(nèi)聚的應(yīng)用系統(tǒng)當(dāng)中。同時(shí)可支持中國(guó)移動(dòng)OneNET/Andlink、中國(guó)電信IoT/ AEP、華為Ocean Connect以及阿里云等物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，為用戶的應(yīng)用提供極大的便利。BC26模塊工作電壓為直流2.1-3.63 V，典型值為3.3 V，正常工作溫度為-35-+75。，擴(kuò)展工作溫度：-40-+85。，能夠滿足告警信息的遠(yuǎn)程上傳工作，具體硬件電路連接示意圖如圖2所示。

2.3電源模塊

本設(shè)計(jì)中電源模塊采用的是明緯RD-50 A型50 W 雙組輸出開(kāi)關(guān)電源號(hào)的電源。RD-50 A型開(kāi)關(guān)電源交流輸入電壓為88-264 V，可承受300 VA浪涌輸入5 S而無(wú)損壞，支持直流5 V和直流12 V雙路輸出，電壓精度分別為±2.0%和±7.0%，可在-25°C～+70。環(huán)境下穩(wěn)定輸出。同時(shí)本設(shè)計(jì)中采用可以向AM S1177-333正向低壓下降穩(wěn)壓器完成電壓的壓降，實(shí)現(xiàn)直流3.3 V電壓的輸出，完成向STM 32F 103CBT6宏處理器和NB無(wú)線模塊等的供電。具體降壓電路圖如圖3所示。

2.4傳感器

2.4.1氣體傳感器

本設(shè)計(jì)中采用Sensirion公司生產(chǎn)的SGP30傳感器完成廚房環(huán)境中二氧化碳濃度信息的采集。這個(gè)傳感器采用了CMOnes。技術(shù)提供完整的傳感器系統(tǒng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)單個(gè)芯片具有數(shù)字I2C接口、溫度控制的微熱板和兩個(gè)預(yù)處理的室內(nèi)空氣質(zhì)量信號(hào)。SGP30提供更詳細(xì)的空氣質(zhì)量信息，可以實(shí)現(xiàn)二氧化碳（CO2）和易失性有機(jī)化合物（VOC）含量的檢測(cè)工作。

此外，本設(shè)計(jì)中還采用煒盛公司生產(chǎn)的MQ135氣體傳感器完成廚房環(huán)境有毒氣體的檢測(cè)。在空氣質(zhì)量檢查過(guò)程中，氣體傳感器采用的感應(yīng)材料是導(dǎo)電率低的二氧化錫材料，在環(huán)境中存在有害氣體的情況下，隨著有害氣體濃度的增加，二氧化錫的導(dǎo)電率上升，從而可以將導(dǎo)電率的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并輸出。MQ135氣體傳感器標(biāo)稱工作電壓為+5 V，測(cè)試預(yù)熱時(shí)間不小于48H，具體測(cè)試電路如圖4所示。

2.4.2溫濕度傳感器

本設(shè)計(jì)中采用的溫濕度傳感器國(guó)為包含校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器DHT11，該傳感器應(yīng)用專用的數(shù)字模塊收集技術(shù)和溫濕度傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境溫度和濕度的收集工作。DHCT11型傳感器工作電壓范圍為3.3-5.5 V，溫度濕度測(cè)量范圍分別為：濕度20-90%RH、溫度0-50。，測(cè)量精度為濕度±5%RH、溫度±2°C。這個(gè)精度可以滿足家庭廚房環(huán)境溫度濕度的測(cè)定要求。

2.4.3光照強(qiáng)度傳感器

我們采用BH1750FVI型光照傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)廚房環(huán)境光照強(qiáng)度的采集。這個(gè)光照傳感器是I2C總線接口用的數(shù)字環(huán)境光傳感器芯片。光譜響應(yīng)接近人眼反應(yīng)、寬范圍、高分辨率（1-655351X）、低電流切斷功能、低噪音抑制，不需要外部部件、對(duì)光源的依賴性小、光學(xué)窗影響的測(cè)量結(jié)果可調(diào)、測(cè)量誤差小、紅外的影響小等特點(diǎn)，可以在高分辨率下檢測(cè)大范圍的光照強(qiáng)度，受到廣大用戶的青睞。本設(shè)計(jì)才用該傳感器可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)廚房中光照強(qiáng)度信息的采集和檢測(cè)，具體硬件連接電路圖如圖5所示。

3家庭互聯(lián)網(wǎng)檢測(cè)裝系統(tǒng)置軟件設(shè)計(jì)

3.1服務(wù)器搭建

本設(shè)計(jì)中單片機(jī)接收到各類傳感器檢測(cè)的信息后經(jīng)處理后通過(guò)NB-IoT模塊上傳到阿里云服務(wù)器，上傳信息采用的是MQTT通信協(xié)議，具體的MQTT協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方式如圖6所示。

3.2主程序設(shè)計(jì)

Stm32單片機(jī)初始化完成后對(duì)各類傳感器采集回傳后的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，隨后與預(yù)先設(shè)置的閾值進(jìn)行比較，當(dāng)超過(guò)閥值后，單片機(jī)通過(guò)NB模塊將告警信息上傳到阿里云，用戶通過(guò)云服務(wù)接收到告警信息后，進(jìn)行后續(xù)的相關(guān)工作。具體程序設(shè)計(jì)流程如圖7（a，b，c）所示。

3.3 NB-IoT模塊程序設(shè)計(jì)

NB-IoT模塊運(yùn)行的程序流程如下：BC26模塊在清空緩存后需要事先獲取卡號(hào)并完成激活網(wǎng)絡(luò)的工作，這部分工作主要在初始化程序中完成。隨后BC26模塊需要連接UDP、創(chuàng)建TCP socket，并用這個(gè)方法與 MQTT阿里云服務(wù)器連接，完成數(shù)據(jù)的上傳工作。如果MQTT Al云服務(wù)器連接成功，將開(kāi)始MQTT主題和 MQTT主題的發(fā)送。

4結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的家庭互聯(lián)網(wǎng)檢測(cè)裝置能夠完成家庭廚房溫濕度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度及有毒氣體的檢測(cè)和告警信息的發(fā)送工作，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)家庭廚房環(huán)境的功能，能夠有效地避免家庭人員傷害及財(cái)產(chǎn)的損失，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]STM32103F 芯片手冊(cè)[s].

[2]王明浩，吳韶波.基于智慧城市建設(shè)的NB-IoT應(yīng)用研究[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2017，7（7）：79-82.

[3]呂衛(wèi)，趙佳麗.一種低功耗高精度的NB-IoT溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2018，31（6）：836-840.