基于MQTT協(xié)議的阿里云IoT平臺(tái)遠(yuǎn)程電壓采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐世翔，曹 原

（南陽理工學(xué)院，河南 南陽 473000）

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的快速發(fā)展，萬物智聯(lián)的概念逐漸興起，5G網(wǎng)絡(luò)的到來更是加速了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展進(jìn)程。現(xiàn)如今，物聯(lián)網(wǎng)在各行各業(yè)均有非常廣泛的應(yīng)用，如物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)、智能快遞柜等，無不為人們的生活增添了極大的便利[1-5]。本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，順應(yīng)時(shí)代的潮流，意在打通傳統(tǒng)單片機(jī)與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的壁壘；在技術(shù)上將二者相結(jié)合，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性和驗(yàn)證性的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)以搭載STM32F103RB的NUCLEO實(shí)驗(yàn)板[6-7]作為主控單元，配合ESP8266模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)；同時(shí)使用板載的ADC通道1、2測(cè)量外部電壓輸入，采集核心溫度、核心電壓通道數(shù)據(jù)，使用MQTT協(xié)議同步上傳至阿里云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程電壓監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如下：阿里云平臺(tái)包括注冊(cè)、平臺(tái)配置等，通過模擬MQTT小程序模擬上報(bào)數(shù)據(jù)，用于測(cè)試平臺(tái)配置；ESP8266模塊包括使用AT指令配網(wǎng)，學(xué)習(xí)MQTT協(xié)議，編寫程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行采集，對(duì)模塊進(jìn)行分布調(diào)試（串口、網(wǎng)絡(luò)、IoT平臺(tái)），進(jìn)行數(shù)據(jù)上報(bào)；IoT Studio中的Web應(yīng)用包括頁面編輯、組件使用、數(shù)據(jù)源配置、美化網(wǎng)頁等。同時(shí)對(duì)釘釘機(jī)器人的配置進(jìn)行學(xué)習(xí)，貫通平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 物聯(lián)網(wǎng)模塊設(shè)計(jì)

ESP8266模塊連接WiFi熱點(diǎn)的原理是通過串口向其發(fā)送模塊配置指令（稱為AT指令）[8-10]。在編寫程序前可以先使用USB轉(zhuǎn)串口模塊對(duì)其進(jìn)行調(diào)試，熟悉配網(wǎng)流程與相應(yīng)的操作，成功之后再對(duì)程序進(jìn)行編寫，提高開發(fā)效率。查詢ESP8266技術(shù)手冊(cè)可知，配網(wǎng)操作需要使用表1所列指令。

表1 ESP8266模塊AT指令

發(fā)送指令后，模塊將回復(fù)相應(yīng)的內(nèi)容，例如“OK”，表示操作完成。ESP8266模塊使用MQTT協(xié)議連接阿里云平臺(tái)有多種方式，在實(shí)踐中本文選擇了難度較低、較易實(shí)現(xiàn)的固件燒錄。在ESP8266出廠版本的固件中，并不包含可以通過MQTT協(xié)議連接云平臺(tái)的AT指令。根據(jù)官方手冊(cè)與使用指南中的“固件燒錄”可以找到相應(yīng)的方法與流程。成功后，可以直接根據(jù)AT指令配置模塊，通過MQTT協(xié)議連接阿里云平臺(tái)。此時(shí)，在產(chǎn)品設(shè)備詳情中即可看到設(shè)備在線。

2.2 主控程序設(shè)計(jì)

在usart.c中添加串口重定向函數(shù)，使得在程序中可以使用printf指令向模塊發(fā)送AT指令。將ESP8266操作指令封裝進(jìn)頭文件esp8266.h，加入工程include路徑中；并在esp8266.h的起始位置編寫頭文件定義，在esp8266.h中編寫配網(wǎng)AP指令，設(shè)置單片機(jī)應(yīng)答內(nèi)容；在main.c文件中定義變量，在main函數(shù)初始化代碼后添加定時(shí)器使能、DMA校準(zhǔn)、DMA使能等相應(yīng)程序，在定時(shí)器中斷回調(diào)函數(shù)中編寫時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度程序；在while循環(huán)之前調(diào)用指令進(jìn)行配網(wǎng)、阿里云平臺(tái)用戶配置等操作，在while循環(huán)中使用switch語句編寫時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度程序；在任務(wù)1中LED以1 s間隔閃爍，任務(wù)2中采集核心溫度，任務(wù)3中采集核心電壓與通道電壓，任務(wù)4中上報(bào)物模型數(shù)據(jù)。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)界面設(shè)計(jì)

如圖2所示，進(jìn)入項(xiàng)目詳情頁面主頁，在項(xiàng)目開發(fā)中選擇Web應(yīng)用，新建一個(gè)Web應(yīng)用，自定義應(yīng)用名稱與描述后點(diǎn)擊確定。在編輯頁面的左邊欄中，選擇組件，即可進(jìn)入組件列表。

圖2 組件列表

將需要使用的組件拖入頁面中，即可添加組件。單擊組件，即可在右邊欄中定義組件屬性。例如，需要使用組件儀表盤時(shí)，將儀表盤組件從左邊欄中拖出，點(diǎn)擊新組件，在右邊欄中定義數(shù)值范圍、數(shù)值單位、標(biāo)題內(nèi)容、數(shù)據(jù)源等。在左邊欄中的頁面選項(xiàng)，可以自定義頁面元素，例如導(dǎo)航布局中的邊欄、子頁面入口等?！皟x表盤”組件如圖3所示。

頁面繪制完成后，即可發(fā)布上線，點(diǎn)擊預(yù)覽即可預(yù)覽網(wǎng)頁效果，如圖4所示。

2.4 釘釘機(jī)器人配置

使用PC版釘釘應(yīng)用，在群聊中的智能群助手頁面，新建一個(gè)釘釘機(jī)器人，類型為自定義。鍵入機(jī)器人名稱后，復(fù)制下方生成的Webhook地址，如圖5所示。

圖5 釘釘機(jī)器人配置

進(jìn)入項(xiàng)目詳情頁面中的主頁，在項(xiàng)目開發(fā)中找到業(yè)務(wù)邏輯頁面，創(chuàng)建一個(gè)新的業(yè)務(wù)邏輯，點(diǎn)擊新建空白業(yè)務(wù)服務(wù)。進(jìn)入編輯頁面，在左邊欄中的節(jié)點(diǎn)頁面，選擇正確的節(jié)點(diǎn)并連接，即可實(shí)現(xiàn)釘釘機(jī)器人推送設(shè)備數(shù)據(jù)的功能。配置完成后，部署調(diào)試，發(fā)布上線即可。邏輯節(jié)點(diǎn)配置如圖6所示。

圖6 業(yè)務(wù)邏輯節(jié)點(diǎn)配置

3 調(diào)試與配置

燒錄程序后，復(fù)位單片機(jī)程序執(zhí)行，串口1與模塊通信，串口2與PC機(jī)通信，使用USB轉(zhuǎn)串口模塊接收串口1發(fā)出的指令，如圖7所示。串口數(shù)據(jù)發(fā)送正確無誤，接入模塊后可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配網(wǎng)、數(shù)據(jù)上傳。串口2與PC機(jī)通信，上報(bào)程序狀態(tài)，使用USB線連接開發(fā)板接收串口2發(fā)出的狀態(tài)，如圖8所示。

圖7 串口1發(fā)送數(shù)據(jù)

圖8 串口2發(fā)送數(shù)據(jù)

串口數(shù)據(jù)發(fā)送正確無誤，可以顯示程序當(dāng)前狀態(tài)。此時(shí)，ESP8266模塊網(wǎng)絡(luò)連接正常，與阿里云平臺(tái)連接正常，物模型數(shù)據(jù)上報(bào)正常，如圖9所示。

圖9 物模型數(shù)據(jù)上報(bào)

在Web應(yīng)用中，可以顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)，同時(shí)實(shí)時(shí)繪制數(shù)據(jù)波形，如圖10所示。釘釘機(jī)器人可以正常工作，當(dāng)電壓超過閾值時(shí)可以向群組推送消息，如圖11所示。

圖10 Web應(yīng)用頁面預(yù)覽

圖11 釘釘機(jī)器人消息推送

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一款基于STM32單片機(jī)的物聯(lián)網(wǎng)電壓采集系統(tǒng)。系統(tǒng)選用STM32F103RB單片機(jī)作為主控芯片，整體造價(jià)較低；采用板載的ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過MQTT協(xié)議與ESP8266模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)通信，使用釘釘API進(jìn)行數(shù)據(jù)推送。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，易于市場(chǎng)推廣。