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(長沙師范學(xué)院 信息科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 400100)

引 言

目前，環(huán)境問題已經(jīng)成為人們關(guān)注的重點(diǎn)問題，PM2.5[1]在近年來引發(fā)全球的關(guān)注。采用信息技術(shù)手段監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境(如PM2.5等)參數(shù)，提高室內(nèi)家居環(huán)境質(zhì)量已經(jīng)成為一種趨勢。樹莓派是一款基于Debian Linux系統(tǒng)的嵌入式計(jì)算機(jī)，因其具有體積小、集成化程度高、擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)勢被廣泛使用在不同領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)中[2]，將樹莓派用于智能家居環(huán)境下的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測設(shè)計(jì)有利于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)集成化程度的不斷提高、功能的不斷完善使得各種技術(shù)之間相互滲透、相互促進(jìn)[3]。樹莓派自帶USB-host、RJ45、HDMI、SD讀卡器等常用接口，并且樹莓派[4]的硬件拓展支持功能較為強(qiáng)大，支持的傳感器種類頗多，有利于日后的功能擴(kuò)展。本系統(tǒng)由樹莓派控制模塊、ESP8266模塊、傳感器模塊和人體感應(yīng)模塊4個(gè)模塊組成，整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 空氣監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

傳感器模塊負(fù)責(zé)完成室內(nèi)環(huán)境參數(shù)檢測，并通過系統(tǒng)連線將參數(shù)通過ESP8266傳送到主控制器中，人體感應(yīng)模塊的傳感器檢測室內(nèi)是否有人的信號(hào)，并直接與主控制器相連，ESP8266模塊作為中介模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能的同時(shí)并作為WiFi路由客戶端將數(shù)據(jù)傳送到樹莓派主控制器。主控制器根據(jù)傳感器送來的信號(hào)將對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)通過ESP8266控制外接的空調(diào)、窗簾、燈具等被控對(duì)象。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 樹莓派控制模塊

本項(xiàng)目選擇了樹莓派3B平臺(tái)作為主控制器，其搭載了64位4核的ARM Cortex-A53 CPU，自帶板載網(wǎng)口、WiFi和藍(lán)牙，內(nèi)存硬盤為SD卡。樹莓派的系統(tǒng)為嵌入式Linux系統(tǒng)。安裝該系統(tǒng)需要下載鏡像并使用軟件進(jìn)行燒錄，同時(shí)還需要使用安全外殼協(xié)議(SSH)、MQTT及SMB協(xié)議完成整個(gè)設(shè)計(jì)的配置，此外，其體積小，便于部署和安裝。

2.2 ESP8266模塊

ESP8266是一款超低功耗的UART-WiFi 透傳模塊。模塊體積小，便于攜帶，成本低，具有通用USART接口等特性。此外，ESP8266不但能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，還可以作為WiFi客戶端連接到路由器，基于以上兩點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選擇了ESP8266擴(kuò)展板作為系統(tǒng)的WiFi模塊。

ESP8266用于數(shù)據(jù)的傳輸。傳感器將數(shù)據(jù)傳入ESP8266，然后通過WiFi與樹莓派相連，并通過使用消息隊(duì)列遙測傳輸協(xié)議(Message Queuing Telemetry Transport，MQTT)將數(shù)據(jù)傳入樹莓派。

由于ESP8266擴(kuò)展板的核心芯片NodeMCUDevKit的Rx和Tx引腳用于連接ESP芯片，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部的通信，因此傳感器連接NodeMCUDevKit時(shí)，選擇了GPIO口的12、13引腳進(jìn)行連接。

2.3 空氣質(zhì)量檢測模塊

空氣檢測傳感器模塊用于完成室內(nèi)環(huán)境的測量。本系統(tǒng)需要測量的指標(biāo)有溫度、濕度、PM1.0和PM2.5濃度。本文選取了攀藤的PMS5003系列傳感器，其是一款基于激光散射原理的數(shù)字式通用顆粒物濃度傳感器，可連續(xù)采集并計(jì)算單位體積內(nèi)空氣中不同粒徑的懸浮顆粒物個(gè)數(shù)，即顆粒物濃度分布，進(jìn)而換算成為質(zhì)量濃度，并以通用數(shù)字接口形式從Rx和Tx輸出，其與ESP8266的端口接線如表1所列。內(nèi)部功能框圖如圖2所示。

表1 ESP8266與傳感器接口配置表

圖2 傳感器內(nèi)部功能圖

2.4 控制模塊

控制模塊用于實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的控制部分，用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中的自動(dòng)化控制。本系統(tǒng)選擇了無線WiFi sonoff基本版智能開關(guān)，用于連接各種外部設(shè)備，通過WiFi路由器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_(tái)，使用戶可以通過移動(dòng)端遠(yuǎn)程控制所有連接的設(shè)備。sonoff的工作電壓范圍為3.0～3.6 V，如果接5 V的電壓則會(huì)燒毀硬件，所以轉(zhuǎn)TTL接口時(shí)工作電壓應(yīng)為3.3 V。sonoff開關(guān)并不能直接連接樹莓派，需要在軟件中進(jìn)行配置。修改完成后，用電器和電源的零火線分別與sonoff相對(duì)應(yīng)的輸入輸出口相接后上電。其外部連線圖如圖3所示。

圖3 sonoff開關(guān)外部負(fù)載接線圖

3 軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 ESP8266軟件設(shè)置

ESP8266的官方固件不支持PMS5003T傳感器溫度和濕度數(shù)據(jù)傳輸。在官方固件中，數(shù)據(jù)11為0.1升空氣中直徑在5.0 μm以上的顆粒物個(gè)數(shù)，數(shù)據(jù)12為0.1升空氣中直徑在10 μm以上的顆粒物個(gè)數(shù)，而PMS5003T的溫度數(shù)據(jù)口為數(shù)據(jù)11，濕度數(shù)據(jù)口為數(shù)據(jù)12，因此要進(jìn)行修改，數(shù)據(jù)才能上傳至ESP8266，否則無法得到溫度和濕度的數(shù)據(jù)。為了保證精確度，溫度和濕度的數(shù)值要精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位，因此要用到float函數(shù)。關(guān)鍵部分代碼如下：

log += F(", temperature="); //溫度數(shù)據(jù)

log += float(data[10]/10.00);

log += F(", humidity="); //濕度數(shù)據(jù)

log += float(data[11]/10.00);

addLog(LOG_LEVEL_DEBUG_MORE, log);

SerialRead16(&checksum2, NULL);

SerialFlush(); //串口數(shù)據(jù)監(jiān)測

if (checksum == checksum2){

UserVar[event->BaseVarIndex] = data[3];

//輸出的數(shù)據(jù)為PM1.0

UserVar[event->BaseVarIndex + 1]= data[4];

//輸出的數(shù)據(jù)為PM2.5

UserVar[event->BaseVarIndex+2]=

float(data[10]/10.00); //輸出為溫度

UserVar[event->BaseVarIndex+3]=

float(data[11]/10.00); //輸出為濕度

return true;

}

在ESP8266的web頁面顯示的效果如圖4所示，可得到當(dāng)前環(huán)境的PM1.0、PM2.5、溫度和濕度數(shù)據(jù)，若GPIO口的設(shè)置或連接錯(cuò)誤，則Values一欄中的數(shù)據(jù)空缺。

圖4 ESP8266監(jiān)控頁面

3.2 樹莓派軟件設(shè)置

本設(shè)計(jì)的主控平臺(tái)為樹莓派。除了配置樹莓派操作系統(tǒng)之外，還需要配置SSH、MQTT及SMB協(xié)議，從而為ESP8266提供有效的數(shù)據(jù)交換保障。

MQTT是一種基于發(fā)布/訂閱模式的“輕量級(jí)”通信協(xié)議，為連接遠(yuǎn)程設(shè)備提供實(shí)時(shí)可靠的消息服務(wù)。PMS5003T的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線連接傳輸?shù)紼SP8266后，使用MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)傳入樹莓派，從而在樹莓派的web頁面上顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)。其中用Mosquitto實(shí)現(xiàn)MQTT協(xié)議。在樹莓派中安裝Mosquitto，并且配置賬號(hào)密碼，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全傳輸。安裝后即可在putty中進(jìn)行賬號(hào)密碼的設(shè)置，代碼如下：

mqtt:

broker: 192.168.1.113 //服務(wù)器地址

username: pi //登錄名

password: raspberry //登錄密碼

port: 1883 //登錄端口

配置完成后在樹莓派的顯示如圖5所示。

圖5 樹莓派web監(jiān)控頁面

3.3 外網(wǎng)訪問

內(nèi)網(wǎng)通常指局域網(wǎng)，外網(wǎng)也就是廣域網(wǎng)即Internet。家居系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問家中設(shè)備，可以通過外網(wǎng)與內(nèi)網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)交換實(shí)現(xiàn)。內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)交換數(shù)據(jù)要通過路由器或網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換(NAT)進(jìn)行。然而，來自外網(wǎng)對(duì)內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)的訪問請(qǐng)求，路由器或網(wǎng)關(guān)在絕大多數(shù)情況下都會(huì)進(jìn)行攔截，使用內(nèi)網(wǎng)穿透技術(shù)中的端口映射實(shí)現(xiàn)外網(wǎng)訪問。

端口映射是NAT的一種，將一臺(tái)主機(jī)的內(nèi)網(wǎng)(LAN)IP地址映射成一個(gè)公網(wǎng)(WAN)IP地址，當(dāng)用戶訪問提供映射端口主機(jī)的某個(gè)端口時(shí)，服務(wù)器將請(qǐng)求轉(zhuǎn)移到本地局域網(wǎng)內(nèi)部提供這種特定服務(wù)的主機(jī)。

本設(shè)計(jì)采取的方式是通過花生殼域名解析器實(shí)現(xiàn)端口映射，完成外網(wǎng)訪問，配置如圖6所示。使用花生殼賬戶即SN訪問花生殼界面并完成端口映射內(nèi)網(wǎng)主機(jī)的IP地址即樹莓派在局域網(wǎng)的IP地址，從而能在無公網(wǎng)IP的情況下，通過內(nèi)網(wǎng)地址的映射和穿透將樹莓派web網(wǎng)頁上的數(shù)據(jù)都映射到公網(wǎng)上，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖6 花生殼域名解析器配置圖

結(jié) 語