摘要：本文介紹基于STM32微控制器、BC26 NBIOT模組和華為云IOT平臺，實現(xiàn)了一款智能井蓋系統(tǒng)。

本文分享自華為云社區(qū)《基于STM32+NBIOT+華為云IOT設計的智能井蓋》，作者：DS小龍哥 。

(資料圖)

一、概述

智能井蓋是一種通過物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)對井蓋狀態(tài)監(jiān)測和管理的設備。當前介紹基于STM32微控制器，BC26 NBIOT模組以及華為云IOT平臺設計一款智能井蓋系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過光線傳感器、霍爾傳感器、溫濕度傳感器等設備實現(xiàn)井蓋狀態(tài)的實時監(jiān)測，通過NBIOT網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)上傳到華為云IOT平臺，再通過云平臺下發(fā)控制指令實現(xiàn)遠程管理。

應用場景

智能井蓋系統(tǒng)可以廣泛應用于城市管理、交通建設等領域，其中具體應用場景包括：

（1）實時監(jiān)測井蓋狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)井蓋開放或異常情況，提高城市管理的效率和安全性；

（2）提供實時環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，幫助提升城市環(huán)境監(jiān)測能力；

（3）利用NBIOT網(wǎng)絡和華為云平臺的遠程控制功能，可以實現(xiàn)智能井蓋的開關控制和監(jiān)管，避免人工操作不便和監(jiān)管不到位引起的危險。

二、硬件設計

本系統(tǒng)的硬件設計主要包括傳感器模塊和控制模塊兩部分，其中傳感器模塊主要負責采集井蓋狀態(tài)信息，控制模塊則負責數(shù)據(jù)處理和通信。

【1】傳感器模塊

（1）光線傳感器：光線傳感器用于感知井蓋上方光線強度，判斷井蓋是否露出地面。當井蓋被遮住時，光線傳感器輸出低電平；當井蓋暴露在外時，光線傳感器輸出高電平。

（2）霍爾傳感器：霍爾傳感器用于感知井蓋狀態(tài)（開/關），當井蓋開啟時，霍爾傳感器輸出高電平；當井蓋關閉時，霍爾傳感器輸出低電平。

（3）溫度傳感器和濕度傳感器：溫度傳感器和濕度傳感器用于感知井蓋下方的環(huán)境溫濕度，實時反饋給系統(tǒng)，便于監(jiān)測井蓋下方環(huán)境狀況。

【2】控制模塊

（1）STM32微控制器：使用STM32F103C8T6微控制器，主要負責傳感器數(shù)據(jù)采集、處理和控制模塊與NBIOT模組之間的通信。

（2）BC26 NBIOT模組：使用BC26 NBIOT模組，通過NBIOT網(wǎng)絡將采集到的井蓋狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳到華為云IOT平臺，同時支持遠程控制井蓋開關。

（3）LED指示燈：采用不同顏色的LED指示燈，將井蓋狀態(tài)（開/關、異常、低電量）實時反饋給用戶。

軟件設計 軟件設計主要包括STM32微控制器程序設計和華為云IOT平臺開發(fā)兩部分。

STM32微控制器程序設計： 主要包括三個模塊：傳感器采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和通信模塊。其中傳感器采集模塊負責采集傳感器數(shù)據(jù)并進行處理；數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進行邏輯處理，判斷井蓋狀態(tài)；通信模塊負責與NBIOT模組之間的通信，將處理后的數(shù)據(jù)上傳至華為云IOT平臺。

三、華為云IOT平臺開發(fā)

在華為云IOT平臺上，需要進行設備接入、數(shù)據(jù)模型定義、規(guī)則引擎配置和應用開發(fā)等四個核心模塊的開發(fā)。其中，設備接入模塊包括設備注冊、獲取設備證書、建立連接等步驟，以保障設備與云平臺之間的安全通信；數(shù)據(jù)模型定義模塊需要根據(jù)實際需求定義相應的數(shù)據(jù)模型，包括上傳數(shù)據(jù)格式、設備屬性和服務等。規(guī)則引擎配置模塊需要完成實時消息推送、遠程控制和告警等功能。應用開發(fā)模塊則是將完整的智能井蓋系統(tǒng)進行打包，為用戶提供統(tǒng)一的操作接口。

華為云官網(wǎng):https://www.huaweicloud.com/

打開官網(wǎng)，搜索物聯(lián)網(wǎng)，就能快速找到設備接入IoTDA。

3.1 物聯(lián)網(wǎng)平臺介紹

華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺（IoT 設備接入云服務）提供海量設備的接入和管理能力，將物理設備聯(lián)接到云，支撐設備數(shù)據(jù)采集上云和云端下發(fā)命令給設備進行遠程控制，配合華為云其他產(chǎn)品，幫助我們快速構筑物聯(lián)網(wǎng)解決方案。

使用物聯(lián)網(wǎng)平臺構建一個完整的物聯(lián)網(wǎng)解決方案主要包括3部分：物聯(lián)網(wǎng)平臺、業(yè)務應用和設備。

物聯(lián)網(wǎng)平臺作為連接業(yè)務應用和設備的中間層，屏蔽了各種復雜的設備接口，實現(xiàn)設備的快速接入；同時提供強大的開放能力，支撐行業(yè)用戶構建各種物聯(lián)網(wǎng)解決方案。

設備可以通過固網(wǎng)、2G/3G/4G/5G、NB-IoT、Wifi等多種網(wǎng)絡接入物聯(lián)網(wǎng)平臺，并使用LWM2M/CoAP、MQTT、HTTPS協(xié)議將業(yè)務數(shù)據(jù)上報到平臺，平臺也可以將控制命令下發(fā)給設備。

業(yè)務應用通過調用物聯(lián)網(wǎng)平臺提供的API，實現(xiàn)設備數(shù)據(jù)采集、命令下發(fā)、設備管理等業(yè)務場景。

3.2 開通物聯(lián)網(wǎng)服務

地址：https://www.huaweicloud.com/product/iothub.html

開通標準版免費單元。

開通之后，點擊總覽，查看接入信息。 我們當前設備準備采用MQTT協(xié)議接入華為云平臺，這里可以看到MQTT協(xié)議的地址和端口號等信息。

總結:

端口號：   MQTT (1883)| MQTTS (8883)     接入地址： a3433ab133.iot-mqtts.cn-north-4.myhuaweicloud.com

根據(jù)域名地址得到IP地址信息:

Microsoft Windows [版本 10.0.19044.2846] (c) Microsoft Corporation。保留所有權利。 ? C:\Users\11266>ping a3433ab133.iot-mqtts.cn-north-4.myhuaweicloud.com ? 正在 Ping a3433ab133.iot-mqtts.cn-north-4.myhuaweicloud.com [121.36.42.100] 具有 32 字節(jié)的數(shù)據(jù): 來自 121.36.42.100 的回復: 字節(jié)=32 時間=37ms TTL=31 來自 121.36.42.100 的回復: 字節(jié)=32 時間=37ms TTL=31 來自 121.36.42.100 的回復: 字節(jié)=32 時間=36ms TTL=31 來自 121.36.42.100 的回復: 字節(jié)=32 時間=37ms TTL=31 ? 121.36.42.100 的 Ping 統(tǒng)計信息:     數(shù)據(jù)包: 已發(fā)送 = 4，已接收 = 4，丟失 = 0 (0% 丟失)， 往返行程的估計時間(以毫秒為單位):     最短 = 36ms，最長 = 37ms，平均 = 36ms ? C:\Users\11266>

MQTT協(xié)議接入端口號有兩個，1883是非加密端口，8883是證書加密端口，單片機無法加載證書，所以使用1883端口比較合適。 接下來的ESP8266就采用1883端口連接華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺。

3.3 創(chuàng)建產(chǎn)品（1）創(chuàng)建產(chǎn)品

點擊右上角創(chuàng)建產(chǎn)品。

（2）填寫產(chǎn)品信息

根據(jù)自己產(chǎn)品名字填寫，設備類型選擇自定義類型。

（3）添加自定義模型

產(chǎn)品創(chuàng)建完成之后，點擊進入產(chǎn)品詳情頁面，翻到最下面可以看到模型定義。

模型簡單來說： 就是存放設備上傳到云平臺的數(shù)據(jù)。比如：環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、環(huán)境煙霧濃度、火焰檢測狀態(tài)圖等等，這些我們都可以單獨創(chuàng)建一個模型保存。

3.4 添加設備

產(chǎn)品是屬于上層的抽象模型，接下來在產(chǎn)品模型下添加實際的設備。添加的設備最終需要與真實的設備關聯(lián)在一起，完成數(shù)據(jù)交互。

（1）注冊設備

點擊右上角注冊設備。

（2）根據(jù)自己的設備填寫

在彈出的對話框里填寫自己設備的信息。根據(jù)自己設備詳細情況填寫。

（3）保存設備信息

創(chuàng)建完畢之后，點擊保存并關閉，得到創(chuàng)建的設備密匙信息。該信息在后續(xù)生成MQTT三元組的時候需要使用。

3.5 MQTT協(xié)議主題訂閱與發(fā)布（1）MQTT協(xié)議介紹

當前的設備是采用MQTT協(xié)議與華為云平臺進行通信。

MQTT是一個物聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議，它被設計用于輕量級的發(fā)布/訂閱式消息傳輸，旨在為低帶寬和不穩(wěn)定的網(wǎng)絡環(huán)境中的物聯(lián)網(wǎng)設備提供可靠的網(wǎng)絡服務。MQTT是專門針對物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)的輕量級傳輸協(xié)議。MQTT協(xié)議針對低帶寬網(wǎng)絡，低計算能力的設備，做了特殊的優(yōu)化，使得其能適應各種物聯(lián)網(wǎng)應用場景。目前MQTT擁有各種平臺和設備上的客戶端，已經(jīng)形成了初步的生態(tài)系統(tǒng)。

MQTT是一種消息隊列協(xié)議，使用發(fā)布/訂閱消息模式，提供一對多的消息發(fā)布，解除應用程序耦合，相對于其他協(xié)議，開發(fā)更簡單；MQTT協(xié)議是工作在TCP/IP協(xié)議上；由TCP/IP協(xié)議提供穩(wěn)定的網(wǎng)絡連接；所以，只要具備TCP協(xié)議棧的網(wǎng)絡設備都可以使用MQTT協(xié)議。 本次設備采用的ESP8266就具備TCP協(xié)議棧，能夠建立TCP連接，所以，配合STM32代碼里封裝的MQTT協(xié)議，就可以與華為云平臺完成通信。

華為云的MQTT協(xié)議接入幫助文檔在這里:https://support.huaweicloud.com/devg-iothub/iot_02_2200.html

業(yè)務流程：

（2）華為云平臺MQTT協(xié)議使用限制（3）主題訂閱格式

幫助文檔地址：https://support.huaweicloud.com/devg-iothub/iot_02_2200.html

對于設備而言，一般會訂閱平臺下發(fā)消息給設備 這個主題。

設備想接收平臺下發(fā)的消息，就需要訂閱平臺下發(fā)消息給設備 的主題，訂閱后，平臺下發(fā)消息給設備，設備就會收到消息。

（4）主題發(fā)布格式

對于設備來說，主題發(fā)布表示向云平臺上傳數(shù)據(jù)，將最新的傳感器數(shù)據(jù)，設備狀態(tài)上傳到云平臺。

這個操作稱為：屬性上報。

幫助文檔地址：https://support.huaweicloud.com/usermanual-iothub/iot_06_v5_3010.html

3.6 MQTT三元組

MQTT協(xié)議登錄需要填用戶ID，設備ID，設備密碼等信息，就像我們平時登錄QQ，微信一樣要輸入賬號密碼才能登錄。MQTT協(xié)議登錄的這3個參數(shù)，一般稱為MQTT三元組。

接下來介紹，華為云平臺的MQTT三元組參數(shù)如何得到。

（1）MQTT服務器地址

要登錄MQTT服務器，首先記得先知道服務器的地址是多少，端口是多少。

幫助文檔地址：https://console.huaweicloud.com/iotdm/?region=cn-north-4#/dm-portal/home

MQTT協(xié)議的端口支持1883和8883，它們的區(qū)別是：8883 是加密端口更加安全。但是單片機上使用比較困難，所以當前的設備是采用1883端口進連接的。

根據(jù)上面的域名和端口號，得到下面的IP地址和端口號信息：如果設備支持填寫域名可以直接填域名，不支持就直接填寫IP地址。 （IP地址就是域名解析得到的）

華為云的MQTT服務器地址：121.36.42.100 華為云的MQTT端口號：1883

（2）生成MQTT三元組

華為云提供了一個在線工具，用來生成MQTT鑒權三元組：https://iot-tool.obs-website.cn-north-4.myhuaweicloud.com/

打開這個工具，填入設備的信息（也就是剛才創(chuàng)建完設備之后保存的信息），點擊生成，就可以得到MQTT的登錄信息了。

下面是打開的頁面：

3.7 參考案例

華為云平臺部署開發(fā)也可以參考這里：

https://bbs.huaweicloud.com/blogs/381072

【基于華為云IOT平臺實現(xiàn)多節(jié)點溫度采集(STM32+NBIOT)】

四、讀取煙霧氣體濃度【1】MQ2傳感器

以下是一個讀取MQ2傳感器數(shù)據(jù)，并轉換為煙霧濃度的示例代碼，

#include "stm32f10x.h" #include  ? int main(void) {     // 初始化ADC     ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;     RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);     ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;     ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;     ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;     ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;     ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;     ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;     ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure); ?     // 配置ADC通道1的GPIO引腳     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;     RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;     GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); ?     // 啟動ADC校準     ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);     ADC_ResetCalibration(ADC1);     while (ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));     ADC_StartCalibration(ADC1);     while (ADC_GetCalibrationStatus(ADC1)); ?     // 讀取ADC值     ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_1, 1, ADC_SampleTime_28Cycles5);     ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);     while (!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC));     uint16_t adc_value = ADC_GetConversionValue(ADC1); ?     // 計算煙霧濃度     float voltage = (float)adc_value / 4096.0f * 3.3f;     float density = (voltage - 0.4f) / 0.4f * 10000.0f; ?     // 打印出煙霧濃度     printf("MQ2 Smoke Density: %.2f ppm\n", density); } ? ? ? ? float adc_average()  {     const int num_discarded = 3;  // 剔除的最大/最小值數(shù)量     float samples[20];   // 存儲采樣結果的數(shù)組          // 采集數(shù)據(jù)     for (int i = 0; i < num_samples; i++) {         samples[i] = ADC_GET();     }          // 對采樣結果進行排序（升序）     for (int i = 0; i < num_samples - 1; i++) {         for (int j = i + 1; j < num_samples; j++) {             if (samples[i] > samples[j]) {                 float temp = samples[i];                 samples[i] = samples[j];                 samples[j] = temp;             }         }     }          // 計算剩下的平均值     float sum = 0;     for (int i = num_discarded; i < num_samples - num_discarded; i++) {         sum += samples[i];     }     return sum / (num_samples - 2 * num_discarded);  // 返回計算結果 }

【2】MQ4傳感器

以下是基于HAL庫的STM32F103ZET6讀取MQ4煙霧傳感器的代碼：

#include "gpio.h" ? /* MQ4傳感器的引腳定義 */ #define MQ4_PORT        GPIOA #define MQ4_PIN         GPIO_PIN_0 ? /* MQ4傳感器的校準電壓 */ #define MQ4_RL_VALUE    10      // RL值為10kΩ #define MQ4_CALCULATE_RO_CLEAN(adcValue)     ((float)(RL_VALUE*(4096-adcValue)/adcValue)) ? /* 獲取MQ4傳感器的數(shù)據(jù) */ float get_mq4_value() {     uint32_t adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);     float ro = MQ4_CALCULATE_RO_CLEAN(adc_value);     float sensor_volt = HAL_ADC_GetValue(&hadc2) * (3.3 /4096.0);     float sensor_rsr = (3.3 - sensor_volt) / sensor_volt * ro;     float mq4_ppm = pow(10, ((log10(sensor_rsr / 2.5) - 0.3420) / (-0.6162)));     return mq4_ppm; } ? /* 主函數(shù) */ int main() {     HAL_Init();     MX_GPIO_Init();     MX_ADC1_Init();     MX_ADC2_Init();        /* 讀取MQ4傳感器數(shù)據(jù) */     float mq4_value = get_mq4_value(); ?     printf("MQ4傳感器值：%.2f PPM\r\n", mq4_value); ?     while (1); }

在該示例代碼中，我們用到了ADC1和ADC2來分別讀取MQ4傳感器的數(shù)據(jù)引腳和校準電壓。函數(shù)get_mq4_value()中使用了MQ4傳感器的電路計算公式，將讀取的傳感器數(shù)據(jù)轉化成對應的PPM值。

五、總結

當前文章介紹基于STM32微控制器、BC26 NBIOT模組和華為云IOT平臺，實現(xiàn)了一款智能井蓋系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過多種傳感器實現(xiàn)了井蓋狀態(tài)的實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)上傳，在應用上具有重要的應用場景和實際應用價值。整體介紹了系統(tǒng)硬件和軟件設計的各個環(huán)節(jié)，對相關產(chǎn)品的開發(fā)提供了一定的參考價值和設計思路。

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