张 珩，李 敏

（西安欧亚学院 信息工程学院，陕西 西安 710065）

0 引 言

基于机智云的环境数据采集系统由数据采集模块、数据上传模块以及机智云模块构成，即可通过机智云实时地查看目标环境中对应的环境数据。

数据采集模块是将各采集节点连接的传感器所采集到的数据，通过A/D模块转换成相应的可读数值，通过射频模块将数据传输到数据上传平台上[1]。并且为满足数据采集模块采集的数据种类的多样性，除了选用常见的测量温湿度、光照、烟雾信息的传感器，还选用测量雨量以及土壤湿度信息的传感器。

数据上传模块是将由数据采集模块通过射频传输的数据进行分析和处理，同时将数据通过WiFi上传到机智云平台。为了满足本系统通过手机机智云APP实时查看采集的数据，并能提供相对稳定的网络传输环境，故选用nRF24L01射频模块以及ESP8266 WiFi模块作为通信模块。nRF24L01射频通信模块将土壤湿度、烟雾浓度、光照度、雨量以及空气温湿度数据由数据采集模块传输至数据上传模块，ESP8266 WiFi通信模块将数据上传模块处理过的数据上传到机智云平台。

机智云模块是接收由ESP8266 WiFi通信模块上传的环境数据，再将相应的环境数据传输到机智云APP上，这里需要机智云端与机智云APP处于同一网络下，才能使APP实时接收到由数据上传模块传输的数据。

基于机智云的环境数据采集系统的创新点在于，系统使用机智云平台进行数据的监测，无需现场布线就能实现实时监测目标环境的空气温湿度、光照度、土壤湿度、烟雾浓度以及雨量等数据。

1 工作原理

1.1 设计思路

使用多个STM32单片机分别连接多款传感器，使其形成多个数据采集节点，称之为数据采集模块。每个采集节点通过nRF24L01射频通信模块连接到数据上传模块，传输环境数据。数据上传模块通过连接ESP8266 WiFi通信模块使数据上传到机智云平台，比如在手机APP上显示目标环境的空气温湿度数据及烟雾浓度数据，实现智能互联，实时查看环境数据。

1.2 总体结构

基于机智云的环境数据采集系统包括数据采集模块、数据上传模块和机智云模块，总体结构如图1所示。

图1 总体结构

数据采集模块包括温湿度传感器、土壤湿度传感器、雨滴传感器、烟雾传感器、光敏传感器等5种传感器。数据上传模块是由射频通信模块、WiFi通信模块与STM32单片机相连接组成的。机智云模块是由机智云端和机智云APP组成。

1.3 模块设计

1.3.1 硬件设计

硬件设计分为单片机、传感器、通信模块三个部分。

单片机分别使用了STM32F103C8T6和STM32F407ZGT6两款单片机。

STM32F103C8T6单片机的晶振是工作频率为72 MHz，内置高速嵌入式存储器，以及广泛的增强I/O口和连接2条APB总线的外围设备，提供2个12位ADC、3个通用16位定时器和1个PWM定时器，以及标准和高级通信接口[2]：最多2个I2C和SPI以及3个USART。

STM32F407ZGT6单片机具有工作频率为168 MHz的晶振，支持FPU（浮点运算）和DSP指令，支持调试SWD和JTAG，还具有1 024 KB FLASH空间、192 KB SRAM空间、3个12位A/D以及2个D/A接口[3]。

传感器部分共使用5款不同的传感器芯片。

（1）温湿度传感器选用的是DHT11。其内含一个电阻感湿元件和NTC测温元件，可以同时对温度以及湿度进行测量，将DHT11温湿度传感器与MCU相连接，可以传递一个40 bit的数据到单片机中。其中高位先出，数据格式由8 bit的湿度整数、8 bit的湿度小数、8 bit的温度整数、8 bit的温度小数、8 bit的校验和组成[4]。使用该模块时要注意避免在暴露情况下使用。若要长期工作或储存，最好保证温度在10～40 ℃之间，湿度低于60%，同时DHT11温湿度传感器模块测量范围为：湿度20%RH～90%RH，误差±5%RH；温度0～50 ℃，误差±2 ℃。

（2）烟雾传感器选用的是MQ-2。该型号的烟雾传感器对烷类气体以及烟雾均有较高的灵敏度，具有长期的使用寿命、较高的稳定性和广泛的探测范围，并且该模块带有信号输出指示灯，同时具有双路信号输出。同时，烟雾传感器模块上带有LM393比较器，具有简单的外围驱动电路，使用温度范围为-10～50 ℃，相对湿度小于95%时最佳[5]。

（3）土壤湿度传感器选用YL-69。该传感器与LM393比较器相连接，外围电路设计简单方便且功耗低，同时该传感器体积小巧化设计，携带方便，安装、操作及维护简单；结构设计合理，不绣钢探针保证使用寿命；土质影响较小，测量精度为±3%；响应速度[6]小于1 s。

（4）光敏传感器选择光敏电阻传感器。光敏电阻传感器常用于光线亮度检测、智能小车寻光等方向，传感器载有光敏电阻以及LM393比较器，光敏电阻对环境光线最敏感，常用来检测光线亮度，驱动能力强[7]。其工作电压为3.3～5 V，且带有电源指示灯和开关指示灯。

（5）雨滴传感器上设有固定螺栓孔，方便安装，5.0 cm×4.0 cm的尺寸，用镀镍处理表面，具有对抗氧化、导电性及寿命方面更优越的性能，并且价格低廉。

通信模块分别为nRF24L01射频通信模块和ESP8266 WiFi通信模块。

nRF24L01射频通信模块采用FSK调制方式，内部集成Enhanced Short Burst 协议，可以实现点对点或者1对6的无线通信，无线通信速度[8]可以达到2 MB/s。

ESP8266 WiFi模块内置 TCP/IP 协议栈，能够实现串口与WiFi之间的转换。该模块可以快速构建串口-WiFi数据传输方案，方便设备使用互联网传输数据。

1.3.2 软件程序设计

软件程序设计主要分为数据采集模块和数据上传模块两部分。数据采集模块的程序流程如图2所示。数据上传模块的程序流程如图3所示。

图2 数据采集模块的程序流程

图3 数据上传模块的程序流程

数据采集程序中首先是要进行相关函数的初始化，例如LED初始化函数、AD初始化函数等；其次需要判断传输数据所采用的射频模块是否存在，并且若该模块存在设置模块为发送模式。针对DHT11空气温湿度传感器同时也需要判断该芯片是否存在；最后需要循环读取各传感器经A/D模块转换后的模拟电压值，再将数据通过射频模块发送出去，由数据上传模块接收。

数据上传程序循环采集数据并上传至云端。先进行相关函数的初始化；接着判断射频模块以及WiFi模块是否存在，若存在则设置射频模块为接收模式，将WiFi模块设为Airlink模式，转换环境数据格式；最终调用机智云用户采集函数以及对应通信协议完成数据上传即可[9]。

1.3.3 机智云设计

本次机智云设计分为设备的创建和机智云APP两部分。机智云设备创建步骤如下：

（1）登录机智云首页，注册机智云账号，进入开发者中心页面，点击创建新产品，在产品分类中选择对应的大类；

（2）填写产品名称。

选择技术方案（WiFi/移动网络方案、蓝牙方案、网关方案），本次设计选择WiFi/移动网络方案。

选择通信方式（WiFi、移动网络、NB-IoT），本次设计选择通信方式为WiFi。

选择数据传输方式（定长、变长），“定长”指在功能数据点上报下发时一并传输；“变长”指在功能数据点上报下发时传输改变的功能数据点。本次设计选择定长数据传输方式。

选择功耗类型（正常、低功耗），本次设计选择正常功耗类型。

选择完毕后，点击保存即可。

（3）打开基本信息界面，点击Prduct Secret右侧“显示完整密钥按键”，输入机智云账号密码，获取完整密钥并将密钥保存，方便后续使用[10]。

（4）进入数据点页面，点击创建数据点，填写标识名。标识名为程序中所涉及变量的名称，本次设计中，标识名分别为wendu、shidu、rain、smoke、soil、light。由于基于机智云的环境数据采集系统只涉及数据的上传，故本次设计读写类型选择只读类型，数据类型选择为数值型即可。

（5）点击添加按钮，完成数据点创建。

由机智云官网生成设备对应的MCU代码，自行根据需求进行移植。

机智云APP是在机智云官网下载基础的demo版本（Android版本），根据自己的需求在Android Studio软件上进行修改。机智云界面如图4所示。

图4 机智云界面

从图4可以依次看到，温度、湿度、雨量、烟雾、土壤湿度以及光照度的图案，最终将在图案后显示采集到的环境数值。

2 结 语

本文设计一款基于机智云的环境数据采集系统。该设计采用最小系统板进行开发，装置占地面积小，并且具有成本低、容易安装和检修方便等优点。

基于机智云的环境数据采集系统使用了物联网相关技术，即通信技术、嵌入式技术。搭建起用户和系统的平台，用户可通过手机界面查看目标环境的环境数据，决定是否进行其他操作，例如：烟雾浓度过大，考虑目标环境是否有火灾发生等；智能化的系统节省了大量的人力、物力及财力的投入。机智云平台在运行中十分稳定，保证了系统的正常运行。