李巖博 潘明巖 陳東紅 陳錫愛

摘 要：針對空氣質量測試的實時性以及大多公眾場合無網絡無WiFi的問題，本文設計了一款基于NBIOT和微信的空氣質量直播系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32F100超低功耗單片機為控制核心，采用光照、甲醛、氣壓等傳感器，通過NBIOT窄帶物聯(lián)網實現(xiàn)硬件模塊與微信客戶端的遠程數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)了低功耗下的空氣質量數(shù)據(jù)采集功能。該系統(tǒng)具有本地數(shù)據(jù)記錄、回顧功能，同時基于NBIOT通訊實現(xiàn)了云服務器數(shù)據(jù)同步更新功能和支持微信平臺的網絡終端數(shù)據(jù)查詢功能。

關鍵詞：NBIOT窄帶物聯(lián)網 微信客戶端 STM32 空氣質量檢測 低功耗

中圖分類號：X85 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）08（c）-0012-02

隨著生活水平的迅速提高，人們對自己日常生活和工作的室內空氣環(huán)境質量的要求不斷提高。同時，建筑節(jié)能的要求在現(xiàn)代科技的支持下，使室內建筑的密閉性越來越好，室內空氣與室外空氣的交換越來越少，極易導致室內污染物的積累，引發(fā)室內空氣污染。目前，市面上在售的可以自動檢測空氣質量的設備，大多依賴WiFi來進行數(shù)據(jù)傳輸，考慮到新房以及其他公眾場合沒有公共網絡，市場上并沒有能夠在無網絡情況下將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿釉O備的儀器，那么本文設計的空氣質量檢測系統(tǒng)就顯得意義重大。

此空氣質量檢測系統(tǒng)擁有低功耗、信號覆蓋廣等特點，解決了無網絡情況下室內空氣質量實時檢測的問題，并結合NBIOT物聯(lián)網技術將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到阿里云數(shù)據(jù)庫，進而顯示到微信客戶端。用戶可以隨時隨地打開微信查看室內空氣質量的各項指標，給用戶帶來了極大便利的同時能夠有效實現(xiàn)空氣質量檢測的智能化、自動化，能夠推進智能家居的快速發(fā)展，從而推動社會經濟的快速發(fā)展。

1 系統(tǒng)整體設計

本文設計的系統(tǒng)由底層硬件部分及微信客戶端組成。硬件部分利用低功耗單片機STM32F100對空氣質量濃度實時采集并處理，利用NBIOT低功耗、覆蓋廣的特點將無線傳輸數(shù)據(jù)到云服務器，并且支持本地數(shù)據(jù)存儲，同時以微信公眾號形式將數(shù)據(jù)采集結果呈現(xiàn)出來，也可以在微信界面上對數(shù)據(jù)庫內容進行操作處理，以此實現(xiàn)人機交互，系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

2 上下位機軟件設計

2.1 下位機軟件設計

該空氣質量檢測系統(tǒng)的設備首先初始化LWIP協(xié)議棧和我們的TCP服務器，然后和我們的客戶機建立連接，當連接上以后，再進行LED、ADC、串口、IIC等模塊的初始化。初始化后定時對甲醛、PM2.5、二氧化碳、氣壓、光強燈數(shù)據(jù)進行采集，并將采集到的數(shù)據(jù)進行打包，寫入發(fā)送緩存區(qū)，按定時2min對數(shù)據(jù)進行采集和更新。下位機整體軟件流程圖如圖2所示。

2.2 上位機通信設計

（1）MCU與云服務器的通信設計。本系統(tǒng)與云服務端與MCU之間的通信是基于一套接字socket辦議。大多數(shù)互聯(lián)網應用都是基于TCP的，它是一種能在客戶端和服務器套接字之間提供可靠傳輸數(shù)據(jù)的方式。在這里使用Node中的Net模塊來創(chuàng)建一個絲術的TCP服務器。

（2）微信與公眾平臺服務器的通信設計。微信用戶關注公眾號并綁定設備，確定之后就可以通過微信對設備進行實時監(jiān)測與查詢。而設備服務器號需要我們自己申請，拿到appid和access token，這是每個公眾號唯一的ID和token。接下來申請服務器，最后做服務器號的接入認證。

2.3 上位機軟件設計

上位機軟件在開始的時候先與NBIOT網絡連接，成功后會顯示連接成功。連接成功后下位機發(fā)送數(shù)據(jù)到MySQL數(shù)據(jù)庫，緊接著用PHP讀取數(shù)據(jù)，進而顯示數(shù)據(jù)到微信界面以實現(xiàn)人機交互。MySQL數(shù)據(jù)庫設計如表1所示。

2.4 上位機界面設計

上位機界面分為兩個部分：當前數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。

在當前數(shù)據(jù)界面中，可以查看當前空氣質量的檢測值，如圖3所示。在歷史數(shù)據(jù)界面中，以折線統(tǒng)計圖的方式呈現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)，如圖4所示。

3 結語

本文設計的空氣質量檢測系統(tǒng)針對傳統(tǒng)的空氣質量測試儀進行了功耗方面和數(shù)據(jù)傳輸方面的優(yōu)化，由于NBIOT窄帶物聯(lián)網的應用，可以隨時隨地傳輸數(shù)據(jù)到微信客戶端供用戶進行參考，保障用戶生命安全的同時節(jié)省了用戶大量的時間，使采集其他更多的信息成為可能，開辟新的商業(yè)領域，具有非常高的社會效益。

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