基于ESP32的遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要：針對(duì)普通的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在感知信息不全面、監(jiān)測(cè)接口單一、開發(fā)不夠便捷等不足，文中基于ESP32設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，充分發(fā)揮了ESP32管腳充足、控制器豐富、片內(nèi)集成WiFi收發(fā)器、開發(fā)便捷等優(yōu)勢(shì)。利用傳感器等采集環(huán)境中的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳含量、TVOC含量、氣壓、海拔、磁偏角、紫外線強(qiáng)度、煙霧濃度、噪音強(qiáng)度、火焰告警狀態(tài)、風(fēng)力、雨量、地理位置、時(shí)間等信息；使用TFT彩色顯示屏實(shí)時(shí)顯示環(huán)境信息；借助片內(nèi)收發(fā)器及外接無線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)WiFi近距離、LoRa遠(yuǎn)距離、GSM短信不限制距離的無線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，并采用終端軟件或手機(jī)短信等方式對(duì)環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)功能完善、運(yùn)行穩(wěn)定，可為同類方案提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：ESP32；傳感器；遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)；WiFi；LoRa；GSM

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）08-00-04

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.08.008

0 引 言

隨著傳感器技術(shù)、微處理器技術(shù)、無線傳輸技術(shù)的發(fā)展，環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)用變得更為廣泛，相應(yīng)方案或產(chǎn)品可用于室內(nèi)、城市、農(nóng)田、機(jī)房、倉(cāng)庫(kù)等場(chǎng)景，便于作業(yè)人員對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)并針對(duì)出現(xiàn)的異常采取相應(yīng)措施[1-5]。然而，目前的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)仍然存在若干不足，例如文獻(xiàn)[2]選用單片機(jī)作為主芯片，因單片機(jī)管腳不足只能接少量傳感器導(dǎo)致感知信息不全。文獻(xiàn)[3]只外接窄帶物聯(lián)網(wǎng)模塊、文獻(xiàn)[4]只使用片上收發(fā)器，均導(dǎo)致監(jiān)測(cè)接口單一。文獻(xiàn)[5]選用樹莓派作為主芯片，需要先移植系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)才能開始業(yè)務(wù)代碼的編程，開發(fā)不夠便捷。

針對(duì)上述不足，文中基于ESP32設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。ESP32采用兩個(gè)哈佛結(jié)構(gòu)Xtensa LX6 CPU構(gòu)成雙核系統(tǒng)，體積小，價(jià)格低，片上集成通用型輸入輸出（General Purpose Input/Output， GPIO）、通用異步收發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Reveiver Transmitter， UART）、集成電路總線 （Inter Integrated Circuit， I2C）、串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface， SPI）、模數(shù)轉(zhuǎn)換（Analog to Digital Convert， ADC）等控制器以及WiFi收發(fā)器，芯片引出的管腳充足且多數(shù)管腳具備復(fù)用功能，利于外接其他功能模塊，支持Arduino集成開發(fā)環(huán)境下導(dǎo)入各種庫(kù)后直接進(jìn)行業(yè)務(wù)應(yīng)用程序的開發(fā)，綜合優(yōu)勢(shì)顯著。

1 整體設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由供電模塊、主芯片、參數(shù)存儲(chǔ)模塊、環(huán)境信息采集模塊、狀態(tài)顯示模塊、無線傳輸接口、上位機(jī)組成，如圖1所示[6-7]。

供電模塊提供系統(tǒng)所需的電壓。主芯片ESP32運(yùn)行業(yè)務(wù)代碼，驅(qū)動(dòng)調(diào)度所有外圍設(shè)備。參數(shù)存儲(chǔ)模塊的AT24C256存儲(chǔ)系統(tǒng)具備掉電后保持參數(shù)的特性。環(huán)境信息采集模塊包含各類傳感器，可獲取環(huán)境中的各項(xiàng)信息值。狀態(tài)顯示模塊包括3.5寸薄膜晶體管（Thin Film Transistor， TFT）彩色顯示屏和有源蜂鳴器，提供本地顯示和告警鳴響功能。無線傳輸接口具備三類不同距離的傳輸方式：基于WiFi實(shí)現(xiàn)近距離的信息傳輸，基于LoRa模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的信息傳輸，基于GSM模塊實(shí)現(xiàn)不限制距離的信息傳輸。上位機(jī)可以是手機(jī)、筆記本電腦、PC等，通過網(wǎng)頁(yè)瀏覽器、終端軟件、短信等對(duì)ESP32進(jìn)行訪問和控制。

2 硬件設(shè)計(jì)

采用12 V直流降壓模塊作為系統(tǒng)的下位機(jī)供電電源，

12 V直流電壓經(jīng)降壓后得到5 V和3.3 V電壓，供主芯片和各外設(shè)模塊工作。

I2C接口的外設(shè)包括AHT20溫濕度傳感器、BH1750光照傳感器、SGP30二氧化碳及總揮發(fā)性有機(jī)化合物（Total Volatile Organic Compounds， TVOC）含量傳感器、BMP180氣壓海拔傳感器、HMC5883磁偏角傳感器以及AT24C256存儲(chǔ)芯片。供電模塊為各I2C接口的外設(shè)提供3.3 V電壓，ESP32選用2個(gè)數(shù)字I/O管腳產(chǎn)生I2C時(shí)序，利用I2C總線一對(duì)多的特點(diǎn)，與多個(gè)從機(jī)外設(shè)通信。時(shí)鐘、數(shù)據(jù)信號(hào)線上均設(shè)計(jì)上拉電阻。硬件連接關(guān)系如圖2（a）所示。

ADC接口的外設(shè)包括紫外線傳感器、煙霧傳感器、噪音傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?、風(fēng)力傳感器、雨量傳感器，供電模塊為各ADC接口的傳感器提供5 V電壓。ESP32選用6個(gè)模擬I/O管腳作為輸入管腳，分別讀取各傳感器的模擬輸出值。硬件連接關(guān)系如圖2（b）所示。

GPIO接口的外設(shè)包括蜂鳴器。ESP32選用1個(gè)數(shù)字I/O

管腳作為輸出管腳驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。硬件連接關(guān)系如圖2（c）

所示。

SPI接口的外設(shè)包括分辨率為320×480的3.5寸TFT顯示屏、供電模塊（為顯示屏提供5 V電壓）。ESP32選用3個(gè)

數(shù)字I/O管腳產(chǎn)生SPI時(shí)序控制顯示屏，額外用到3個(gè)數(shù)字I/O管腳產(chǎn)生復(fù)位等信號(hào)。硬件連接關(guān)系如圖2（d）

所示。

UART接口的外設(shè)包括GPS模塊、LoRa模塊、GSM模塊。ESP32內(nèi)有3個(gè)串口控制器，Serial0的發(fā)送管腳TX作為調(diào)試打印管腳，Serial0的接收管腳RX接GPS模塊，型號(hào)為GY-NEO-6M，供電模塊為GPS模塊提供3.3 V電壓。硬件連接關(guān)系如圖2（e）所示。

系統(tǒng)用到一對(duì)LoRa模塊，型號(hào)為正點(diǎn)原子ATK-MW1268D，其中一個(gè)與ESP32的Serial1串口連接，另一個(gè)由PC通過USB轉(zhuǎn)串口連接。ATK-MW1268D配置射頻參數(shù)且工作為串口透?jìng)髂Ｊ剑瑑蓚€(gè)模塊正常配對(duì)工作后，向一個(gè)模塊的RX腳寫入的字節(jié)將從另一個(gè)模塊的TX腳發(fā)出，使得ESP32的Serial1與PC的USB轉(zhuǎn)串口能通過無線信道實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程互通。硬件連接關(guān)系如圖2（f）所示。

ESP32的Serial2連接GSM模塊，型號(hào)為SIM900A，供電模塊為SIM900A提供5 V和3.3 V電壓，SIM900A模塊插入SIM卡后可接入移動(dòng)通信等網(wǎng)絡(luò)。ESP32通過對(duì)SIM900A發(fā)送AT命令實(shí)現(xiàn)短信功能，使得ESP32與手機(jī)能通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)短信互通。硬件連接關(guān)系如圖2（g）所示。

ESP32片上集成WiFi收發(fā)器，可以配置為AP-Station模式提供無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Networks， WLAN）服務(wù)和DHCP服務(wù)，手機(jī)、筆記本電腦等通過WLAN接入ESP32后能實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)互通。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 業(yè)務(wù)流程

在Arduino集成開發(fā)環(huán)境下，遵循setup-loop軟件框架設(shè)計(jì)原則，使用C語(yǔ)言對(duì)ESP32進(jìn)行軟件程序設(shè)計(jì)。Arduino工具為開發(fā)者提供了豐富的函數(shù)庫(kù)，使得開發(fā)人員不必關(guān)注系統(tǒng)移植和驅(qū)動(dòng)編程，而只需遵循軟件框架進(jìn)行應(yīng)用層業(yè)務(wù)程序開發(fā)即可[8]。系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程如圖3所示。在初始化的setup函數(shù)中，首先初始化調(diào)試串口、通信串口、I2C總線，通過AT24C256存儲(chǔ)芯片讀取工作參數(shù)后初始化各傳感器外設(shè)，配置模擬輸入管腳和數(shù)字輸出管腳，并初始化SPI總線和TFT顯示屏，然后開啟WiFi的AP基站功能，最后進(jìn)入循環(huán)loop函數(shù)。在輪循執(zhí)行的loop函數(shù)中，首先從各傳感器讀取環(huán)境信息，然后在TFT彩色顯示屏更新顯示，并依次判斷是否從WLAN網(wǎng)口、LoRa模塊、GSM短信模塊收到有效命令，若是，則執(zhí)行命令并返回響應(yīng)，按需向上位機(jī)報(bào)送告警信息。

3.2 外圍設(shè)備驅(qū)動(dòng)

Arduino集成開發(fā)環(huán)境下有大量應(yīng)用編程接口（Application Programming Interface， API）函數(shù)可以調(diào)用，例如analogRead可以讀取ADC接口傳感器的模擬管腳電壓值，進(jìn)一步換算為環(huán)境信息強(qiáng)度等級(jí)；Serial.read和Serial.write可以通過串口收字節(jié)或發(fā)字節(jié)；digitalWrite可以寫數(shù)字管腳的輸出電平驅(qū)動(dòng)蜂鳴器和顯示屏；Wire.begin、Wire.read、Wire.write系列的API用于驅(qū)動(dòng)I2C接口的外設(shè)。

3.3 GPS定位信息解析功能

GPS模塊接收衛(wèi)星信號(hào)并定位成功后，每秒通過串口輸出美國(guó)國(guó)家海事電子協(xié)會(huì) （National Marine Electronics Association， NMEA）協(xié)議的一系列字符串信息給ESP32，ESP32通過Serial2.read（）函數(shù)接收GPS模塊發(fā)出的全部字節(jié)，基于狀態(tài)機(jī)分析$GPRMC信息，解析出經(jīng)度、緯度、時(shí)間等[9]。

3.4 LoRa傳輸功能

LoRa模塊需配置成透?jìng)髂Ｊ?，?dāng)ESP32利用LoRa模塊與PC的USB串口通信時(shí)，為便于串行數(shù)據(jù)分包被正確解析，需將通信內(nèi)容進(jìn)一步封裝，對(duì)于N字節(jié)待傳內(nèi)容，添加2字節(jié)頭部表示內(nèi)容長(zhǎng)度，添加2字節(jié)尾部表示內(nèi)容校驗(yàn)，然后將（2+N+2）字節(jié)通過串行線路（Serial Line Internet Protocal， SLIP）幀協(xié)議轉(zhuǎn)換后發(fā)送。接收方收到字節(jié)后，先解析SLIP幀，再解析出其中的內(nèi)容進(jìn)行分析和反饋，反饋內(nèi)容也遵循2+N+2協(xié)議[10]。

3.5 短信收發(fā)功能

ESP32通過AT命令對(duì)GSM模塊進(jìn)行控制，本系統(tǒng)使用的是字符短信功能[11]。在初始化時(shí)，ESP32發(fā)送AT+CSCS=\"GSM\"和AT+CMGF=1指令設(shè)置字符集為英文，發(fā)送AT+CNMI=2， 1指令，SIM卡收到短信后告知ESP32。ESP32需要發(fā)短信時(shí)，先發(fā)送AT+CMGS=\"{11位電話號(hào)碼}\"指令設(shè)置目標(biāo)電話號(hào)碼，然后輸入英文字符串的短信內(nèi)容再發(fā)送0x1A，告知GSM模塊開始發(fā)送短信。發(fā)送完成后，GSM模塊向ESP32回復(fù)+CMGS指令表示發(fā)送短信成功。當(dāng)GSM模塊收到短信后，向ESP32報(bào)送+CMTI：\"SM\"， n指令，表明收到新的短信且存儲(chǔ)在SIM卡的n位置，ESP32發(fā)送AT+CMGR=n讀取SIM卡n位置處的短信內(nèi)容，GSM模塊的回復(fù)+CMGR指令傳送給ESP32。+CMGR指令后跟來源電話號(hào)碼、短信時(shí)間、短信內(nèi)容等信息，ESP32從中解析出所需信息，然后ESP32發(fā)出AT+CMGD=n，刪除SIM卡位置n處的短信內(nèi)容，便于下一次接收短信。在實(shí)現(xiàn)了收短信、發(fā)短信功能的基礎(chǔ)上，ESP32對(duì)收到的短信中信息部分的內(nèi)容進(jìn)行解析，如果是特定的協(xié)議內(nèi)容，則回復(fù)

短信。

3.6 WiFi訪問功能

ESP32使用WiFi.softAP函數(shù)開啟WiFi功能，定義全局變量WiFi udp和WiFiServer tcp，通過tcp.begin和udp.begin函數(shù)分別開啟一個(gè)UDP和TCP的套接字。基于UDP編程實(shí)現(xiàn)自定義協(xié)議通信，當(dāng)udp.parsePacket函數(shù)返回成功則表明收到UDP包，調(diào)用udp.read 函數(shù)讀取UDP內(nèi)容，如果是特定的命令內(nèi)容，則構(gòu)成反饋包后調(diào)用udp.write函數(shù)返回發(fā)出，UDP包的用戶數(shù)據(jù)部分與LoRa傳輸時(shí)的2+N+2協(xié)議格式一致?；赥CP編程實(shí)現(xiàn)HTTP協(xié)議最終實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)功能，當(dāng)tcp.hasClient及tcp.available函數(shù)返回成功，則表明TCP鏈接成功，調(diào)用tcp.read函數(shù)讀取TCP包的內(nèi)容。如果是HTTP協(xié)議格式的包，則構(gòu)成反饋包后調(diào)用tcp.write發(fā)出，然后調(diào)用tcp.stop函數(shù)斷開TCP連接，便于下一次連入[12]。

3.7 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

使用Visual Studio開發(fā)PC計(jì)算機(jī)終端軟件。調(diào)用USB串口利用LoRa模塊的透?jìng)鞴δ芟駿SP32發(fā)送串口命令，收到反饋信息后，根據(jù)協(xié)議內(nèi)容更新顯示界面。

4 聯(lián)調(diào)演示

基于前述設(shè)計(jì)制作遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)演示板，如圖4所示。GSM模塊插入SIM卡，GPS天線放置到能接收到衛(wèi)星信號(hào)的地方，演示板正常工作后采集環(huán)境信息并在顯示屏顯示。手機(jī)搜索演示板的WiFi信號(hào)并接入熱點(diǎn)后，通過瀏覽器訪問演示板從而顯示環(huán)境信息，如圖5所示。PC運(yùn)行上位機(jī)終端軟件，通過LoRa模塊與演示板通信，從而顯示環(huán)境信息以及控制演示板的工作狀態(tài)，如圖6所示。使用手機(jī)的短信功能向演示板上GSM模塊的SIM卡電話號(hào)碼發(fā)送特定短信指令，能收到演示板的回復(fù)短信，如圖7所示。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)各項(xiàng)功能正常，與設(shè)計(jì)相符。

5 結(jié) 語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)的基于ESP32的遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使用傳感器采集了多項(xiàng)環(huán)境信息值并通過彩色屏顯示，同時(shí)提供了多種遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)接口。基于WiFi實(shí)現(xiàn)了近距離手機(jī)網(wǎng)頁(yè)瀏覽器監(jiān)測(cè)、基于LoRa實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離PC終端軟件監(jiān)測(cè)、基于GSM模塊實(shí)現(xiàn)了不限制距離手機(jī)短信監(jiān)測(cè)。本系統(tǒng)感知信息全面、監(jiān)測(cè)接口多樣、開發(fā)便捷，可為同類方案或產(chǎn)品提供參考與借鑒。

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收稿日期：2023-07-26 修回日期：2023-08-29

作者簡(jiǎn)介：張來洪（1989—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)榍度胧郊夹g(shù)、電臺(tái)主控及波形。

魯 興（1992—），男，博士，工程師，研究方向?yàn)榍度胧郊夹g(shù)、通信技術(shù)。

黃正宏（1989—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)榍度胧郊夹g(shù)、硬件設(shè)計(jì)。

葉 ?。?988—），女，碩士，工程師，研究方向?yàn)榍度胧郊夹g(shù)、通信技術(shù)。